珠海华泰轮毂电能质量治理方案.docx

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珠海华泰轮毂电能质量治理方案

电能质量

优化与治理

技术方案书

珠海泰坦科技股份有限公司

2012-11

江门华泰轮毂厂

电能质量优化与治理技术方案

（方案编号：

HZ-09）

版权声明

Copyright©2012Allrightsreserved.

本技术方案所有权归珠海泰坦科技股份有限公司所有，技术方案内容系根据客户不同情况而专属设计，未经许可，任何个人或组织不得以任何目的和方式进行复制、修改、发布和传播本技术方案的部分或全部。

珠海泰坦科技股份有限公司

TitansScienceandtechnologyco.,LTD

地址：

珠海市石花西路60号泰坦科技园

网址：

电子邮件：

titans@

传真：

86-756-3325889；

1、项目方基本情况

根据用户提供的供电系统资料可知，系统采用10KV供电，各配变数据如下表：

序号

编号

容量（KVA）

变比

数量

说明

1

#2配电室1#变压器

1600

10/0.4

1

电动机照明等，非线性负荷非常少

2

#2配电室2#变压器

1600

10/0.4

1停运

3

厂室1#变压器

1250

10/0.4

1

其中一台变压器停运，由1#2#变压器联合供电。

4

厂室2#变压器

1250

10/0.4

1

5

厂室3#变压器

1250

10/0.4

1停运

6

厂室4#变压器

800

10/0.2

1

整流设备，特种设备

7

厂室6#变压器

1000

10/0.4

1停运

其中两台停运，一台供电，另外两台可能投运

8

厂室7#变压器

1000

10/0.4

1停运

9

厂室8#变压器

1250

10/0.4

1

配变总容量：

11000KVA；实际运行容量：

6150KVA

根据江门供电局试验所测试报告显示，由于客户生产设备产生谐波经过变压器绕组注入到高压侧，引起变电站补偿电容器组损坏，降低了电能质量，影响了电网的用电安全，对设备的安全运行造成了安全隐患。

为了保证设备正常运行、供电系统可靠供电和节约电能，需要采取抑制谐波电流的技术措施。

客户谐波超标数值见下表：

注：

表格来源——江门供电局试验研究所。

从表格可见，客户2次谐波严重超标，其他谐波各次含量也非常高。

根据我国有关电网电压质量的标准规定，及我公司以往在此方面的谐波治理工程经验及本次现场实际测试数据分析，制定本技术方案。

2、项目投资回报分析

2.1、直接效益回报分析

安装电能质量优化设备APF，能够有效滤除系统谐波，避免危害。

安装设备后经济效益主要包含两方面，一是直接经济效益，二是间接设备效益。

项目总投资预算：

5*（&&&&）万元/台=****万元（详见方案第5项）

节能方面直接效益：

13.3万元/年/台*5=66.5万元/年

避免罚款：

由于安装了谐波治理设备，不再向电网传输谐波，不产生危害，也避免了电力部门的罚款等行政处罚。

总年收益回报：

大于66.5万元/年

投资回报率：

66.5万/****万=79%；

结论：

1年半即可收回投资；

2.2、间接效益回报分析

由于安装了谐波治理设备，不再向电网传输谐波，不产生危害，也避免了电力部门的罚款等行政处罚。

1.治理谐波，减小用电电流，可使工厂每月节省可观的电费开支

2.提升变压器等用电设备的运行效率。

3.减少谐波电流对设备的危害

4.降低用电设备的运行温度,减少电能热损耗,延长设备使用寿命

5.降低设备维护成本

安装谐波治理装置后，有效的降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，可增加相应的带载能力。

另一方面，有效降低了谐波对配电线缆，变压器，电动机等设备的损害，设备的热损、铜损、铁损、磁损、噪音大为下降。

2.3、直接效益回报计算

有源电力滤波器的投入，滤除了谐波电流，使线路总电流变小，损耗降低。

安装补偿设备产生的节能方面直接经济效益为：

一台设备的安装容量：

200A*380V*1.732=130KVA

假设设备常年平均输出容量为满载容量的70%，每天运行8小时，月平均运行25天；根据当前电价，取0.6元/度；

每台设备的年经济效益：

（200*380*1.732）*0.7*8*25*12*0.6/10000=13.3（万元）/年/台

【注】：

以上取电费平均值为0.6元/度；补偿治理设备平均每天运行8小时，每月运行25天计算。

每台设备的成本回收周期约1.5年。

3、用户配电情况与电能质量分析

用户总进线为10KV供电，共9台变压器，2个配电室，电气情况分析如下：

3.1、2#配电室

华泰铝轮毂厂2#配电室配电情况如下：

#2配电室1#变压器

1600KVA

10/0.4

1

电动机照明等，非线性负荷非常少

#2配电室2#变压器

1600KVA

10/0.4

1停运

根据以上情况，2#配电室建议配置较小的谐波治理设备。

3.2、厂室

厂室1#变压器

1250KVA

10/0.4

1

其中一台变压器停运，由2#3#变压器供电。

厂室2#变压器

1250KVA

10/0.4

1

厂室3#变压器

1250KVA

10/0.4

1停运

根据现场反馈情况，1#，2#，3#变压器，1#停运，由2#，3#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

厂室6#变压器

1000KVA

10/0.4

1停运

其中两台停运，一台供电，另外两台可能投运

厂室7#变压器

1000KVA

10/0.4

1停运

厂室8#变压器

1250KVA

10/0.4

1

根据现场反馈情况，6#，7#，8#变压器，7#停运，6#停运，其中6#,7#已经他停运约2年时间，未来运行情况尚不知。

由8#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

厂室4#变压器

800KVA

10/0.22

1

整流设备，特种设备

根据现场反馈情况，4#变压器变比为10/0.2KV，属于特殊情况，也带有非线性负荷。

产生谐波危害。

3.3、用户电能质量情况汇总

根据我公司现场测试情况，用户非线性负载如整流、变频等设备大量运行，带来了严重的谐波注入电网，引起电网谐波超标，产生危害。

急需治理优化供电质量。

其中，2#配电室建议不需要装设谐波治理设备。

1#，2#，3#变压器，1#停运，由2#，3#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

6#，7#，8#变压器，7#停运，6#停运，其中6#,7#已经他停运约2年时间，未来运行情况尚不知。

由8#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

4#变压器变比为10/0.2KV，属于特殊情况，也带有非线性负荷。

产生谐波危害。

4、谐波产生来源及危害

4.1、谐波来源

1、变频设备

客户电气系统存在较多的非线性设备，如大功率直流设备、变频器传动设备等。

直流设备是电力系统中数量最多的谐波源，常见的是采用电力电子器件整流装置。

一般三相6脉冲整流装置，主要产生6K±1次谐波，即5、7、11、13次特征谐波等；对于12脉冲整流，主要为12K±1次谐波，即11、13、23、25次特征谐波。

一般情况下，中小功率直流电机的调速装置采用6脉整流，大型电机调速装置采用12脉整流。

变频器属于电力电子变流设备，也即非线性设备，不可避免的会产生大量的电力谐波，对供电系统和周围的用电设备都会造成不良影响甚至危害。

如下图1所示，变频器的典型结构，它工作的过程中会产生电力谐波，主要特征波也是3、5、7、11、13等次。

图1-变频器的典型结构图

大部分包含电子器件的设备会在电网中产生谐波电流和电压，举例来说：

•电力电子设备（整流器,逆变器,调速设备,调光设备）

•荧光灯

•焊机

•数据处理设备（电脑&外围设备）

•家用电器（电视,等等）

2、整流设备

其电源均采用三相交流经整流后供给，整流器各桥臂采用晶闸管全控桥，通过控制晶闸管导通角调节供给直流电机的电压，属于典型的电力电子调速工业装置。

经整流得到的直流电存在脉动，会在交流侧产生谐波，当脉动数为6时，产生6k±1次特征谐波，当脉动数为12时，产生12k±1次特征谐波，主要产生5、7、11、13次谐波，功率因数一般为0.7左右。

但是在实际中，6脉整流轧机谐波电流含有率5次谐波比理论值大，因此在方案设计及计算中建议采用下列数值[这是因为直流电流平滑度降低时，对脉动电路而言5次谐波会显著增加，更高次谐波变化不大。

表1、6脉整流轧机谐波电流含有率

谐波次数n

5

7

11

13

17

19

谐波电流含有率%

27

6.5

8

4

4.5

3

4.2、谐波危害

谐波主要会产生如下几方面的危害：

A：

对供配电线路的危害

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。

另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费变压器的容量。

B：

对电力电容器的危害

当电网存在谐波时，投入传统的电容器补偿后其端电压会增高，通过电容器的电流增加得更大，如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，使电容器异常发热，加速老化，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

C、对电力变压器的危害

谐波的存在使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。

谐波还使变压器的铁耗增大，导致变压器严重发热，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。

同时由于以上两方面的损耗增加，因此会减少变压器的实际使用容量，使变压器存在一定程度的过载。

除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHz左右的成分使混杂噪声增加。

D、对电动机的危害

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。

尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。

另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

5、拟采用的优化治理方案

5.1、第一种方案

5.1.1、FC型高压集中滤波补偿方案

一般来说，在10KV母线侧设置FC型或SVC型无功补偿装置合理的选择，采用电容器串联谐波抑制电抗器组成补偿支路，整个支路在基频电流下呈容性阻抗，发出无功功率，提高功率因数，在谐波电流下呈感性阻抗，吸收谐波，同时所串联的电抗器还可以抑制合闸涌流。

SVC型高压动态滤波无功补偿装置采用电容电抗动态调节方式，反应速度快。

FC投切式系统结构简图如图1所示：

图1-补偿装置系统结构简图FC

5.1.2、方案原理

滤波装置工作的基本原理：

设n次调谐滤波器挂在相电压为UP的接线上，因为是n次调谐，所以有：

式子中：

n—谐波次数；

—基波角频率

单调谐滤波器是针对某次谐波频率的。

当在谐波频率下串联电压谐振时，Xcn-Xln=0。

即Xcn=Xln，等值回路阻抗Zfn=Rn+j（Xcn-Xln）=Rn。

串联回路的相位角Φ=0，即电流与电压同相位。

串联谐振回路的品质因数Qn=Xcn/Rn=Xln/Rn。

高通滤波器作成对于某次谐波频率以上的各次谐波电流都能起到一定的过滤作用。

单调谐滤波器的原理：

图2FC滤波器原理图

由于采用LC串联谐振原理，滤波效果不佳，滤除率为最大40%。

5.2、第二种方案

5.2.1、SVC型高压滤波补偿方案

在10KV母线侧设置SVC型无功补偿装置，采用电容器串联谐波抑制电抗器组成补偿支路，整个支路在基频电流下呈容性阻抗，发出无功功率，提高功率因数，在谐波电流下呈感性阻抗，吸收谐波，同时所串联的电抗器还可以抑制合闸涌流。

SVC简介：

目前常用的SVC有自饱和电抗器（SR）型、晶闸管控制电抗器（TCR）型、晶闸管投切电容器（TSC）型、晶闸管投切电抗器（TSR）型等。

由于本工程的负荷波动较为频繁，变化速率大，所以拟选用TCR型SVC。

系统结构简图如图3所示：

图3-补偿装置系统结构总图TSR+FC

5.2.2、SVC工作原理

假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，则当负荷变化时，通过全数字化的智能功率检测仪表检测无功变化，控制器根据检测仪表信号产生投切指令，调节电抗器的感性无功，与负载的无功QL相配合，再和FC固定部分进行无功叠加，也即Qs=Ql+Qr-Qc≈0；这样在负荷波动过程中，就可以保证功率因数的稳定要求。

补偿曲线图如图4所示：

图中Ql为无功负荷曲线，Qr为TSR中电抗器吸收的无功功率曲线。

随Ql成反比例变化。

Qc为滤波器提供的无功功率曲线，Qr-Qc为动态无功补偿装置TSR输出的无功功率曲线，与Ql反向变化，即实现随机性无功补偿。

Ql+Qr-Qc为补偿后母线无功冲击。

图4-动态补偿曲线图

无功补偿装置的平均响应时间（无功功率变化输入和控制装置输出脉冲之间的时间）≤20ms。

由于采用LC串联谐振原理，滤波效果不佳，滤除率为最大40%。

5.3、第三种方案

5.3.1、低压有源电力滤波器补偿方案

LC无源滤波器（PassiveFilter，PF）进行补偿，尽管它具有初期投资小、结构简单等优点，但其滤波性能对系统阻抗、频率等参数变化要求极其敏感，难以达到预期的滤波效果。

而且滤波装置的设计容量和滤波次数一定要和实际负荷状态匹配，如提前设计，对负荷的谐波状况可能掌握不那么准确，设计容量大了，会出现过补，高次滤波支路投不上；设计容量小了，会出现滤波支路过载，烧毁滤波电容器或电抗器，造成麻烦。

有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）能克服PF存在的缺陷，具备良好的性能，性价比高。

并且能有效滤波高达90%的谐波。

由客户情况可知，由于低压侧非线性负荷产生谐波，通过变压器传导至10KV母线，造成危害。

因此最有效的方案是在0.4KV侧安装有源电力滤波器APF，滤除工厂设备产生谐波。

方案简图如下所示：

图5低压APF方案治理谐波方案简图1

图6低压APF方案治理谐波方案简图2

5.3.2、低压有源电力滤波器原理说明

其原理图如图4所示：

有源电力滤波器（APF），是采用现代电力电子技术和基于高速数字信号处理芯片DSP技术研制的新型电力谐波治理专用设备。

它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。

指令电流运算电路实时监测电网线路中的谐波电流，并将检测到的模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号的形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波，达到实时快速消除谐波的目的。

图7APF方案治理谐波原理图

图8APF方案治理谐波效果示意图

5.3.3、低压有源电力滤波补偿方案的优点

（1）、能滤除2～50次各次谐波，并可同时滤除不少于24次（种）谐波，可根据需要设定需要滤波的谐波次段和滤除谐波的目标值。

（2）、具有上电缓启动功能，避免启动瞬间过大的突入电流损坏直流电容

（3）、输出过流保护：

当滤波装置输出电流超过保护设定，装置停止工作，给出报警，并从电网切除。

（4）、谐波补偿频率范围：

2～25次谐波，尤其对主要的5、7、11、13次等谐波治理效果好。

（5）、响应时间快：

<20ms；能快速跟踪谐波变化。

（6）、补偿效果好：

负载谐波电流的补偿恩能达到

90%，治理效果如下图所示：

图9低压APF治理前后对比

5.4、治理方案总结说明

以上三种方案均可用于优化电能质量，第一种方案滤波效果不佳，而且容易与电力系统产生谐振的。

第二种方案高压SVC成本较高，滤波能力有限制，而且SVC产品更多的侧重对无功功率才补偿，如果只用来补偿谐波，则会造成容量的浪费，也不是十分理想

我公司建议推荐采用第三种方案，在低压侧0.4KV处进行治理，能够针对2-25次谐波进行治理，效果>90%，可以根据负荷情况灵活配置。

6、电能质量优化与治理设备容量与配置

滤波装置的设置根据谐波发生量的次数和大小进行，满足公共连接点（PCC点）的电压畸变率和流入系统各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生并联电流谐振，以保证滤波装置的长期安全运行。

6.1、2#配变室电能质量优化

华泰铝轮毂厂2#配电室配电情况如下：

#2配电室1#变压器

1600KVA

10/0.4

1

电动机照明等，非线性负荷非常少

#2配电室2#变压器

1600KVA

10/0.4

1停运

根据以上情况，2#配电室建议配置较小的谐波治理设备

因此，结合我公司以往案例治理经验，配置100A/400V低压有源电能质量优化治理设备1套，可满足要求。

设备配置表

设备型号

HAPF0.4/100/3P3L

额定容量

100A

额定电压

400V

滤波效果

>90%

安装方式

1#变压器低压母线

数量

1台

6.2、厂室电能质量优化

1、1#，2#，3#变压器

厂室1#变压器

1250KVA

10/0.4

1

其中一台变压器停运，由2#3#变压器供电。

厂室2#变压器

1250KVA

10/0.4

1

厂室3#变压器

1250KVA

10/0.4

1停运

根据现场反馈情况，1#，2#，3#变压器，1#停运，由2#，3#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

根据以上情况，1#，2#，3#变压器其中有1台停运，考虑到停运的变压器在未来有运行的可能性，应给予余量。

因此，结合我公司以往案例治理经验，对2#，3#配变配置200A/400V有源电力滤波器各1套，以满足电能质量要求。

设备配置表

设备型号

HAPF0.4/200/3P3L

额定容量

200A

额定电压

400V

滤波效果

>90%

安装方式

2#变压器低压母线；3#变压器低压母线；

数量

2台

2、6#，7#，8#变压器

厂室6#变压器

1000KVA

10/0.4

1停运

其中两台停运，一台供电，另外两台可能投运

厂室7#变压器

1000KVA

10/0.4

1停运

厂室8#变压器

1250KVA

10/0.4

1

根据现场反馈情况，6#，7#，8#变压器，7#停运，6#停运，其中6#,7#已经他停运约2年时间，未来运行情况尚不知。

由8#运行供电，运行率约为70%。

由于所带负荷为整流设备，及变频设备，设备运转产生大量电力谐波，需要治理。

根据以上情况，6#，7#，8#变压器其中有2台停运，考虑到停运的变压器在未来有运行的可能性，应给予余量。

因此，结合我公司以往案例治理经验，对8#配变配置200A/400V有源电力滤波器1套；同时考虑6#和7#配变有运行的可能性，对其中1台配变配置相应的电能质量优化设备，以满足电能质量要求。

设备配置表

设备型号

HAPF0.4/200/3P3L

额定容量

200A

额定电压

400V

滤波效果

>90%

安装方式

8#变压器低压母线；6#或7#变压器低压母线；

数量

2台

3、4#变压器

厂室4#变压器

800KVA

10/0.2

1

整流设备，特种设备

根据现场反馈情况，4#变压器变比为10/0.2KV，属于特殊情况，也带有非线性负荷。

产生谐波危害。

由于配变容量较小，配置配置100A/400V低压有源电能质量优化治理设备1套，可满足要求。

但是由于电压为220V，所以，需要同时配置400V/220V，70KVA变压器一台，满足电压匹配要求。

设备配置表

设备型号

HAPF0.4/100/3P3L

额定容量

100A

额定电压

400V

滤波效果

>90%

安装方式

4#变压器低压母线

数量

1台

6.3、设备配置汇总表

型号

HAPF0.4/100/3P3L

HAPF0.4/200/3P3L

数量

2套

4套

规格

额定输出100A，治理效果>90%

额定输出200A，治理效果>90%

安装地点

2#配电室1#变压器1套；

厂室配电室4#变压器1套；

厂室配电室2#变压器低压母线1套；3#变压器低压母线1套；8#变压器低压母线1套；6#或7#变压器低压母线1套；

备注

厂室配电室4#变压器需要同时配置400V/220V，70KVA变压器一台，满足电压匹配要求。

7、泰坦有源电力滤波器特点

1）具备防雷击，防浪涌能力，冲击电流小于600A/相（80℃，持续时间小于1ms）。

2）能滤除2～50次各次谐波，并可同时滤除不少于24次（种）谐波，可根据需要设定需要滤波的谐波次段和滤除谐波的目标值，具备零序电流补偿的能力。

3）动态有源滤波补偿装置可以做到只滤波而不输出无功功率，完全避免无功过补偿，也可以根据负荷功率因数要求，将滤波后剩余的能量用于无功补偿。

4）具有上电缓启动功能，避免启动瞬间过大的突入电流损坏直流电容

5）输出过流保护：

当滤波装置输出电流超过保护设定，装置停止工作，给出报警，并从电网切除。

6）输出限流保护：

当所需补偿谐波电流超出滤波装置输出能力，输出限流保护作用，保证装置长期安全运行。

7）过温保护：

滤波装置内功率模块或柜内温度过温时，输出应立即停止，并给出报警。

8）直流母线过压保护：

直流母线电压超过设定保护值，输出应立即停止，并给出报警。

9）交流过电压保护：

电网电压高于额定电压115%时，输出应立即停止，并给出报警。

10）过电流及短路保护：

控制系统应能快速反应，停止输出，同时主电路接触器或断路器应能将装置从电网切除，同时给出报警提示。

11）通信功能：

滤波装置具备适当的通信接口。

12）显示功能：

滤波补偿装置具有液晶显示器和操作键的人机界面，液晶显示及操作界面置于成套装置表面，方便进行参数设置、状态改变、信息查看等操作，并能显示运行状况、测量数据、故障报警等信息。

显示项目：

电网电压、直流电压、负载电流、电网电流、滤波装置输出电流、各次谐波电流。

8、达到的技术指标

Ø考核点为10KV母线受口----PCC点

Ø注入母线的谐波电流限值满足指标（参考标准为国标《电能质量—公共电网谐波》GB14549-93）要求。

Ø电压谐波总畸变率限值≤4.0%；（参考标准为国标《电能质量—公共电网谐波》GB14549-93）；

Ø电压波动限值≤