电能质量改善方案「什么是电能质量」

今天带来电能质量改善方案「什么是电能质量」，关于电能质量改善方案「什么是电能质量」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

摘要

本文结合国内最先进的高精密生产线，由于设计院在供电设计中将大量变频器、大功率整流设备与要求较为苛刻的进口成套设备混用，导致了严峻的电能质量问题，出现谐波、三相不平衡、电压闪变等问题。设备运行需要的电能质量既要满足国标《GB/T 14549-93电能质量-公用电网谐波》，又要满足欧标《EN50160欧洲电网电压质量限值标准》 。

作者带队外出考察，足迹8个省市，考察涉及太阳能发电、科研单位、钢铁、铝板带深加工、电解铝、化纤等20多家单位，最终确定了全厂的综合电能质量治理方案，本文可作为各发、输、配电系统电能质量治理的参考文件，不足之处还请指正。

类型：应用研究

1国内及国外的电能质量治理情况

就目前国内及国外的电能质量治理的方案而言，不外乎从低压、中压和高压三个层面进行治理。低压主要为有源滤波APF和无源滤波FC。中压系统因大量的低次谐波在上一级电压系统中是可以相互抵消的，最为经济的手段是不治理和留到高压去治理。高压系统一般是三种方案：SVC、MCR、SVG。

2大型冶金行业中典型电能质量问题及解决方案2.1存在的典型问题

国内某大型新型材公司采用了美国Bricmont的熔保炉、德国西马克1 4热轧机及单机架和三机架、意大利FATAHunter涂层线等全球一流的进口设备与技术，生产现代铝箔坯料、板材等高精端产品。

该公司总降变电站进线为两路220kV，通过220kV1#、2#主变压器变为10kV供厂内使用，二台主变容量为63MVA；10kV单母线分段，两段母线通过母联开关可以并联。厂内共包含：热轧车间、冷轧车间、空压站、精整车间、熔铸车间5个单位。

下图为220kV总降变电站10kV系统图。

工厂负荷状况为轻载调试期，供电系统不仅出现了谐波问题，还有三相负荷不平衡等问题，电气主控室CT断线报警白班（8:00时-16:00时）最高达120次，精整、热轧车间多次出现价格昂贵的电子元件烧坏、严重时所有的轧机设备因电能质量问题均无法启动。

2.2我国标准限值及欧洲标准限值

我国《GB/T 14549-93 电能质量公用电网谐波》谐波电压和谐波电流的限制：

国标中公用电网谐波电压（相电压）限值

电网电压（kV）

电压总谐波畸变率（%）

各次谐波电压含有率（%）

奇次

偶次

0.4

5.0

4.0

2.0

10

4.0

3.2

1.6

欧标《EN50160：欧洲电网电压质量限值标准》中规定的电网中各次谐波电压限值：

谐波次数

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

H9

H10

H11

H12

H13

THD限值

1.9%

3.0%

1.0%

5.0%

0.5%

4.0%

0.5%

1.3%

0.5%

3.0%

0.5%

2.5%

谐波次数

H14

H15

H16

H17

H18

H19

H20

H21

H22

H23

H24

H25

THD限值

0.5%

0.5%

0.5%

2.0%

0.5%

1.5%

0.5%

0.5%

0.5%

1.5%

0.5%

1.5%

2.3电能质量测试情况和数据及分析2.3.1主变测试数据

1#、2#主变的10kV母线的母联开关处于断开状态，测试时，由于全厂大部分设备处于调试阶段，所以两段10kV母线的负荷率都较小（小于变压器额定容量的20%）。

测试期间工厂负荷状况为轻载调试期。

测试点：总降Ⅰ段10kV母线总进线柜、总降Ⅱ段10kV母线总进线柜

测试点负荷率：Ⅰ段负荷率为15%，Ⅱ段负荷率为17%

测试仪器：FLUKE 435-II

两段10kV母线的测试结果见下表。

1#主变10kV侧总电压的各次谐波分量

项目名称

A相

B相

C相

95%概率值

国标值（%）

95%概率值

国标值（%）

95%概率值

国标值（%）

THD（%）

3.2

4

3.2

4

3.4

4

H1（kV）

5.78

-

5.75

-

5.77

-

H23（H1%）

2.3

3.2

2.4

3.2

2.5

3.2

H31（H1%）

0.7

3.2

0.7

3.2

0.8

3.2

H35（H1%）

1.1

3.2

1.1

3.2

0.9

3.2

H37（H1%）

1.8

3.2

1.7

3.2

1.9

3.2

H41（H1%）

2.1

3.2

2.0

3.2

2.2

3.2

H49（H1%）

2.2

3.2

2.3

3.2

2.4

3.2

1#主变10kV侧总电流的各次谐波分量

项目名称

A相

B相

C相

95%概率值

国标值（A）

95%概率值

国标值（A）

95%概率值

国标值（A）

H1（A）

546

-

534

-

544

-

H3（A）

6.0

82

5.3

82

5.19

82

H5（A）

6.3

82

7.1

82

6.9

82

H7（A）

5.9

61.5

5.8

61.5

5.4

61.5

H23（A）

25.2

18.5

25.8

18.5

26.1

18.5

H31（A）

7.1

-

6.7

-

6.8

-

H35（A）

7.8

-

9.6

-

8.6

-

H37（A）

14.3

-

13.2

-

14.4

-

H41（A）

15.1

-

14.1

-

14.4

-

H49（A）

13.2

-

12.6

-

13.8

-

1#主变10kV侧谐波频谱图（高次谐波较严重）

2#主变10kV侧总电压的各次谐波分量

项目名称

A相

B相

C相

95%概率值

国标值（%）

95%概率值

国标值（%）

95%概率值

国标值（%）

THD（%）

2.5

4

2.5

4

2.5

4

H1（kV）

5.84

-

5.82

-

5.83

-

H5（H1%）

0.4

3.2

0.4

3.2

0.4

3.2

H11（H1%）

1.6

3.2

1.6

3.2

1.6

3.2

H13（H1%）

1.1

3.2

1.1

3.2

1.1

3.2

H23（H1%）

1.1

3.2

1.1

3.2

1.1

3.2

H25（H1%）

0.7

3.2

0.7

3.2

0.7

3.2

H37（H1%）

0.7

3.2

0.6

3.2

0.6

3.2

H41（H1%）

1.3

3.2

1.3

3.2

1.4

3.2

H43（H1%）

1.5

3.2

1.4

3.2

1.4

3.2

H47（H1%）

0.8

3.2

0.8

3.2

0.8

3.2

H49（H1%）

0.9

3.2

0.9

3.2

0.9

3.2

2#主变10kV侧总电流的各次谐波分量

项目名称

A相

B相

C相

95%概率值

国标值（A）

95%概率值

国标值（A）

95%概率值

国标值（A）

H1（A）

618

-

644

-

662

-

H3（A）

9.2

82

8.2

82

5.0

82

H5（A）

154.7

82

181.2

82

161.1

82

H7（A）

24.8

61.5

27.3

61.5

24.2

61.5

H11（A）

46.4

38.1

53.8

38.1

47.3

38.1

H41（A）

17.2

-

19.9

-

18.0

-

H43（A）

17.4

-

20.8

-

17.4

-

2#主变10kV侧谐波频谱图（高次谐波较严重）

1#、2#主变10kV侧电能和功率报表

项目名称

有功功率（kW）

无功功率（kvar）

视在功率（kVA）

功率因数

1#主变10kV侧

6100

3500

7200

0.87

2#主变10kV侧

4000

4200

6000

0.69

由上表可见，测试时部分运行工况系统功率因数较低。

电压：1#、2#主变10kV侧各次谐波电压有一定的畸变，因为10kV系统与220kV电气距离短，短路容量很大，各次电压谐波分项指标尚能满足我国国标要求，但均已超欧标EN50160规定，主要为高次谐波超标。

电流：1#、2#主变10kV侧的总电流中谐波电流有部分超过国标规定。

2.3.2主要谐波源分析

1#主变分析主要谐波源为I段10kV母线所带冷轧车间整流变压器0.6～3kV直流负载产生大量高次特征次谐波，另有部分谐波源为0.4kV非线性负载。

2#主变分析主要谐波源为II段10kV母线所带大量热轧车间整流变压器及其变频器，产生大量特征次谐波，以及部分谐波源为车间0.4kV非线性负载；另外热轧车间一直存在严重的三相电压不对称现象。

2.4治理方案设计2.4.1 0.4kV侧设计

（1）大部分低压负荷采用加装并联的APF方案，在低压侧就地补偿系统谐波，并实时补偿三相不平衡和电压闪变。按照变压器负荷率80%的情况设计。

（2）针对重要敏感控制设备，安装LCL串联滤波器进行保护，每套敏感设备电源入口安装一套容量50kVA的LCL低频滤波器，必要的可串入EMC高频滤波。

2.4.2整流变压器二次（0.6—3kV）侧设计

基于就地补偿的最佳补偿方式，在整流变压器二次侧对高次谐波进行FC补偿是最有效的手段。但根据整流变的接线拓扑，可以多台变压器组合后形成高数值的脉头整流，这样如果在整流变二次侧进行5、7、11、13等低次特征谐波FC并联滤波将带来许多浪费。因此只在整流变10kV侧串联额定容量8-10%左右电抗器，阻挡高次谐波注入10kV母线系统，5、7、11、13等低次特征谐波可以在10kV母线侧抵消。这样最为经济。3KV侧暂不进行治理。

2.4.3 10kV侧设计

对10kV母线治理目标为稳定母线电压，治理电压闪变、谐波、三相不平衡。

预估治理谐波容量及三相不平衡和电压闪变治理容量，在10kVⅠ段、II段母线上分别加装20Mvar的SVG。每相18链节，三角形接法，三相共计54链节。

（2）根据10kV母线谐波电流的特点，在10kV母线上安装11次、13次、17次和19次高通滤波器。10kV二段母线各安装4组FC：

滤波支路次数

11

13

17

19高通

合 计

电容器总安装容量（kvar）

5300

3500

2000

3000

13800

每台电容器额定电压（kV）

7.6

7.6

7.6

7.6

-

电容器电容值（uF/相）

230

153

87

55

-

电抗器额定电压（kV）

10

10

10

10

-

电抗器额定电流（A）

804

533

303

295

-

电抗器额定电感（mH/相）

0.38

0.41

0.42

0.25

2.4.4设计仿真

根据系统参数，在 PCSAD 下搭建数字仿真模型：

按照 70MW 有功、20Mvar 无功模拟负载：

滤波前：

滤波后：

滤波前后无功变化：

滤波前后有功变化：

2.4.5经过综合治理后，各级设备运行正常。3结论与展望

随着电力系统的不断发展，大量新型负荷的发展，负荷结构发生了质变，电能质量由过去简单的电压偏差和频率偏差两大指标，扩展到目前包括谐波、间谐波、电压波动和闪变等在内的多指标，电能质量综合指标的探讨以及对于电能质量监督、治理和管理，对于工业发展均有重要意义，各级科研、设计、生产、应用的不同结构和群体应有较为全面的认识，以利于进一步开展研究、探讨，使之不断完善。