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无源滤波和有源滤波混和 方案在建筑楼宇中的应用案例

更新时间:2016-11-29 点击数:275

随着大量具有非线性特性的电力设备投入电网运行,现代电力系统中的谐波污染变得越来越严重,谐波治理已成为人们必须解决的重要问题之一。

电网中存在各种类型的谐波源,它们以不同的方式向电力系统注入谐波,在电力系统设备中具有非线性特性的负荷很多,由于非线性、冲击性以及不平衡的用电特性,引起谐波污染导致电能质量变差;而随着计算机的普及、IT产业的发展、微电子控制技术的广泛应用,现代建筑楼宇对电能质量的要求却越来越高,针对电网污染的现实与用电质量要求的提高,采用无源滤波装置在吸收5、7次谐波的同时补偿无功,建筑楼宇中的3次谐波采用有源滤波来解决,由于电力系统增容改造以及电力系统线路停运检修的影响,系统的最大短路容量和最小短路容量也会发生改变,系统短路容量的变化会对滤波器的滤波效果以及系统的并联谐振产生影响,所以单纯采用无源滤波的补偿方式满足不了现代建筑楼宇对电能质量的要求,为弥补缺陷达到最佳补偿的目的在建筑楼宇供配电系统中采用“晶闸管控制的混和型滤波装置”对谐波进行治理是较好的解决方案。


1

 
 电网谐波产生的原因

电网谐波产生的原因一方面是上级电网背景谐波电压,另一方面是大量非线性负荷产生的谐波电流,在建筑楼宇中绝大多数用电设备为单相设备,而配电系统中由于单相负荷分配不均很容易造成三相负荷不平衡、中性点偏移,造成三相相位差不是120度,由于不对称产生3次谐波。

 

另外以电力电子元件为基础的电气设备,如直流电动机、变频器、整流设备、UPS电源、电子调速装置、荧光灯系统、计算机等,造成相当严重的谐波污染,使电能质量明显下降;尤其是三次谐波会使中性线电流变大,甚至会超过相电流值,因此造成电气设备寿命大大缩短、电网过热,甚至可能引起火灾。
 

2

谐波在建筑楼宇中的危害

1.谐波对变压器的危害:

谐波会导致变压器噪声增大,由于电流的趋肤效应,会使变压器增加铜损;高频涡流会使变压器增加铁损,变压器发热量增加并影响其输出功率,使变压器效率降低,甚至烧毁变压器;

2.谐波对电动机的危害:

电流的趋肤效应会增加铜损;高频涡流会增加铁损,使电动机的发热量增加,绝缘寿命减少,并影响其输出功率,使电动机效率降低,甚至烧毁电动机;5次负序波的存在,使电动机转矩脉动,影响设备的正常运行;

3.谐波对电缆的危害:

电流的趋肤效应会增加铜损;使电缆的发热量增加,载流量降低,加剧电缆的绝缘老化,甚至烧毁电缆;

4.谐波对设备的危害:

高频谐波会使电子设备误动、拒动或产生无故障跳闸,干扰电子设备对信号识别的准确性,影响各种计量仪表的显示精度,还会影响监控等设备的正常工作,造成断路器的拒动或误动,出现无故障停机;

5.谐波对通讯系统的危害:

线路上的3、5、7次等幅值较大的低频谐波通过磁场耦合,会在邻近的通信线路中产生干扰电压,影响线路通信质量;

6.谐波对补偿电容器的危害:

由于并联谐振,谐波电流过载,会使电容器加速老化产生突鼓、爆裂、严重时烧毁电容器,如在因谐波产生电压畸变的电网中投入普通电容器进行无功补偿,会使电网的谐波加剧而产生谐波放大的现象,使功率因数降低;

7.谐波对电网的危害:

谐波会造成功率损耗增加、电网过热,设备寿命缩短、接地保护功能失常、接地遥控功能失常,加剧电网内设备提前老化,并增大了诱发电网谐波的可能性。 

3

建筑楼宇中谐波治理的措施

1.我国现行规范“电力系统谐波管理规定”和“GB/T14549-1993《电能质量
公用电网谐波》
”对系统中的谐波污染标准进行了限制,需保证在各种运行方式下不发生谐振,电力系统功率因数需达到电力部门的要求。

2.采用晶闸管控制无源滤波和有源滤波混和方案对谐波进行治理

下面以混和型滤波装置在“智能型商业大厦”项目中的应用为例进行分析:

2.1
工程概况

2.1.1
 该项目属于多功能智能型商业办公楼,总建筑面积为10万多平方米。

2.1.2
 容量为8000(5台×1600)kVA的35kV专用变电站,电压等级35/0.4kV。

2.1.3 
0.4kV侧三相最大短路电流为37.48kA。

2.2
晶闸管控制无源滤波和有源滤波混和方案应用案例

在每台变压器的母线上电源侧安装无源滤波装置,在负荷侧安装有源滤波装置

2.2.1
晶闸管控制无源滤波装置简介

2.2.1.1
晶闸管控制无源滤波装置结构与原理:

无源滤波装置采用零电流、1.2.4.8编码投切的方式,主要由控制器、晶闸管投切中心、单相滤波电容器、铁芯滤波电抗器、断路器等构成,装置在工频呈容性,改善功率因数,在所设计的谐振频率时形成串联谐振,使此L-C回路在此频率时形成非常低的阻抗,而能吸收大部分的谐波电流,从而改善系统中电压和电流的谐波畸变率,装置采用三角形内接法,三相独立控制.
三相非对称补偿,防止电网三次谐波的放大。

智能型控制器TPM
采用反馈式监测—利用高速信号处理器DSP作为CPU,运算速度可达2000万次/秒,采用16位AD 转换,可实现高速同步采样,在20ms
内完成三相电压、电流、频率信号采集,快速利用FFT(傅立叶基数变换)实现各项参数的精确检测计算,以负载的实时无功功率为投切物理量,控制输出,投切开关接到投切指令后,在小于10ms
内完成零电流投入,投切无涌流,对电网无冲击,并且该投切开关对于电容器有预充电的作用,避免了投切电容器时的涌流冲击,使运行更加稳定、安全、可靠,为保证实时跟踪投切,整个系统响应时间小于30ms,可满足快速变化负载的需要,实现快速补偿。该控制器配置多种通讯接口、多种通讯规约,通过遥测、遥信、遥控实现远方在线监测、浏览。

开关模块投切中心S.C
晶闸管专为动态补偿设计.生产的中频可控硅,电压2200V-3500V,通态平均电压低于2.2V,可控硅关断时间低于120μS。电流、电压选择余量为5-7倍的额定电压,电流值,保证可控硅在滤波器中应用的可靠性,延长了可控硅的使用寿命,晶闸管触发采用先进光电隔离过零触发,同时具备了断相、相序颠倒、过流等保护功能。

单相滤波电容器ASMJ
在基、谐比1:3情况下,可以在承受1.1倍额定电压,1.4倍额定电流的条件下长期工作;电容耐电压:2.2倍额定电压,60秒;电容量制造精度为1%,保证滤波器有较低的谐振阻抗,电容器容值三年衰减≤2%。

铁芯滤波电抗器LKSG
不产生谐波无射频干扰;相间和对外壳绝缘电压6000V 以上,可以在额定电流全是谐波电流情况下长期运行。采用优质0.27mm
硅钢片,线性度1.8Ie;电感量精度≤2%,三相电感量不平衡度≤2%, 保证调谐频率的准确性,避免谐振。

系统图如下:

2.2.1.2
晶闸管控制无源滤波装置功能特性:

a.
电容、电感和电阻满足串、并联谐振的要求;

b.
阻抗不与系统阻抗发生串、并联谐振;

c.
装置不产生谐波,铁芯电抗器无射频干扰。

d.滤除用户谐波,净化电网,使供配电、自动化系统运行安全可靠。

e.零电流投切,1.2.4.8编码投切的方式,不会产生振荡现象。

f.基波无功能满足电力系统对无功补偿的要求;

g.系统的谐波含量达到国家标准“GB/T14549-1993《电能质量
公用电网谐波》”的要求;

h.分散补偿,故障时自动退出,不会影响整个供电系统。

 

2.2.2 
有源滤波装置简介

2.2.2.1
有源电力滤波器的基本原理

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

有源电力滤波器的基本原理如图1所示:检测补偿对象的电压和电流,经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流。


图1
有源电力滤波器基本原理

2.2.2.2
有源电力滤波器的系统构成

图2为有源电力滤波器的系统框图。图中,es表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。主电路目前均采用PWM变流器。


图2 
有源电力滤波器系统框图

2.2.2.3
有源电力滤波器特性

⒈滤除电流谐波:高效的滤除负荷电流中2-50次的各次谐波,从而使电网清洁高效,满足“GB/T
14549-1993《电能质量
公用电网谐波》”对电网谐波的要求;该装置做到自适应跟踪补偿,可以自动识别负荷整体变化及负荷谐波含量的变化而迅速跟踪补偿,快速响应时间<3ms全响应时间<10ms。

⒉改善系统不平衡状况:可完全消除因谐波引起的系统不平衡,在装置容量许可的情况下,在确保滤除谐波功能的基础上有效改善系统不平衡状况。

⒊抑制电网谐振:不会与电网发生谐振,而且在其容量许可范围内还可以有效抑制电网自身的谐振;可以和无源滤波装置配合构成理想的治理方案;

⒋保护功能:具备过流、过压、欠压、温度过高、测量电路故障、雷击等多种保护功能,以确保装置和电力系统安全运行,并可在负荷较轻时自动退出运行,充分考虑运行的经济性。

2.2.3 
混和型滤波装置应用案例

本工程共用五台变压器,均为1600kVA供电。

以1#变压器(1600kVA)为例,阐述该台变压器采用“晶闸管控制混和型滤波装置”进行谐波治理以及无功补偿的效果。

1#变压器(1600kVA,阻抗6.5%),负载以照明、动力为主,动力多采用变频控制,(其中照明负载占负荷的30%,动力负载占负荷的50%)根据负载特性计算电容基波容量为380kvar,
考虑串联电抗器引起的滤波电容器工频电压升高以及谐波引起的电容器电压升高,设计安装容量选为600kvar无源滤波+(100A)有源滤波。


晶闸管控制混和型滤波装置投入前,变电室(1#变压器)0.4kV数据如下:

图2
滤波装置投入前系统谐波电流幅值 

在变压器二次侧受总柜后安装两台无源滤波柜分别为500V/280kvar和500V/320kvar,主柜三路LC滤波(40kvar/5,80kvar/5,160kvar/5.7)副柜一路LC滤波器(320kvar/5.7);


在负荷端安装一台100A有源滤波柜。晶闸管控制混和型滤波装置投入后,变电室(1#变压器)0.4kV数据如下:

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