有源濾波與無功補償裝置在糖廠的應用

杜科毅，莫若華，龐金標，蒙文芳，江澤豪

（1.中糧屯河崇左糖業有限公司，廣西 崇左 532200；2.勝業電氣股份有限公司，廣東 高州 330520）

1 引言

中糧屯河崇左糖業有限公司是一家以甘蔗為基礎原材料加工蔗糖為主的專業公司。在工廠內負載類型主要是車間生產用壓榨機、減速機、真空泵、消防泵等電機類負載以及直流調速器、變頻器這類AC-DC轉換設備，為典型的非線性和沖擊性負荷。其工作時會導致電網電壓波動、閃變以及諧波等電能質量問題，影響系統及周圍設備的正常運行，并造成極大的設備安全隱患。

2 企業供電系統簡況

壓榨車間榨機饋線共三臺690V的變壓器：1#變壓器容量為4000kVA、2#變壓器容量為4000kVA和3#變壓器容量為2000kVA。其中1#、2#變壓器低壓側分別配置兩臺300kvar電容補償柜TSC，3#變壓器無補償。糖廠壓榨車間直流電機較多，且用電負荷非常大。壓榨車間榨機饋線如圖1所示，其中虛線框內為新增設備。

圖1 壓榨車間榨機饋線

2.1 改造前供電系統主要問題和原因分析

2.1.1 主要問題

一是功率因數低只有0.74，達不到功率因數大于0.90的要求。

二是變壓器噪聲大，油溫高經常達到80℃。電纜線溫度高。

三是系統在滿負載時即單位時間內壓榨甘蔗量過大時，會出現電壓跌落的情況，當出現該情況時功率因素最低為0.4左右。

四是無功補償柜電容器衰減比較嚴重，出現故障不能正常工作。電纜、銅排等設備過熱，絕緣老化。2.1.2 原因分析

糖廠壓榨車間能耗占據全廠能耗60%以上，榨機能耗在壓榨車間占比70%，所以解決榨機能耗問題是糖廠節能降耗的關鍵。根據壓榨現場直流電機、直流調速器特性，我們分析基本認定這些問題是榨機在運行過程中，由于蔗層的不穩定，導致榨機頻繁調節速度，致使榨機自控系統中諧波電流含量較大引起。電容器投入后，諧波電流放大，從而導致電容器支路和熔斷器等設備發熱，引起電容器長時間過溫衰減，電纜、銅排等設備過熱。

功率因數低只有0.74，大量無功由變壓器提供，加之存在大量的諧波電流，增加了大量的線路損耗和加重了變壓器的負擔。由于線路損耗是以熱能的方式消耗掉，無形之中增大了設備運行溫度，嚴重降低設備的使用壽命。由于電容器衰減故障，不能正常工作，造成功率因數偏低，變壓器使用率低。

2.2 諧波和電能質量簡述

正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變，正弦波形畸變成不規則非正弦波形，對非正弦波進行傅立葉分解，除了基波頻率的電量，其余大于基波頻率如：150、250、350Hz等的電流產生的電量，稱為諧波。

在工業生產和日常生活中，廣泛的使用各種整流功能的電力電子裝置都是非線性負載，如直流電機、UPS、變頻器、電弧爐、中頻爐、機車直流牽引系統、可控硅調光系統、電梯、熒光燈、電腦辦公設備、變頻空調等。這些非線性負載產生大量諧波電流，注入電網。

電能質量是指關于諧波、三相不平衡、頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、暫時或瞬態過電壓、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性一系列供用電的問題。隨著科學技術的發展與人們對電能使用要求的提高，電能質量已經成為維護電子設備穩定運行、制約經濟發展與生產提高的一個關鍵要素。

2.3 無功功率的影響和諧波的危害

2.3.1 無功功率對公用電網的影響

第一，增加設備容量。無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的啟動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。

第二，設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

第三，使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。

2.3.2 諧波對公用電網和其他系統的危害

第一，諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

第二，諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

第三，諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴重事故。

第四，諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

第五，諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量；重則導致信息丟失。

3 供電系統改造后

3.1 壓榨車間變壓器新增裝置

2017年8月，為了集中治理對壓榨車間現場進行了改造，其中1#、2#變壓器分別新增了2臺300kvar無功補償柜TSC，1臺300A有源濾波柜APF。3#變壓器新增了2臺300kvar無功補償柜TSC。裝置投入后，解決了電能質量問題。功率因數達標，收到了較好的經濟效益。壓榨車間變壓器新增裝置，如表1所示。新增設備現場圖，如圖1所示。

表1 壓榨車間變壓器新增裝置表

圖2 壓榨車間變壓器新增的設備現場圖

3.2 新增裝置結構特點

本次改造的目的是滿負載運行時功率因數達到0.9以上，提高生產效率，節省電費；在有限的投資成本下，最大化進行諧波有效治理。有源濾波和無功補償裝置由有源濾波柜、無功補償柜組成。

3.2.1 有源濾波柜

有源濾波器與傳統技術相比具有特殊優勢，寬范圍濾波、單柜大容量、模塊化設計、標準化柜體，這些優勢使其能輕松解決電能質量問題。

濾波效果＞95%。

補償方式：根據現場需求可對諧波補償、無功補償、不平衡補償模式進行優先設定，并可實現多臺并聯運行。

動態全響應時間：響應時間≤100us；全響應時間≤10ms。

濾波范圍：2～25次可任意選定濾波次數，滿足25～50次集中濾波。

啟動方式：軟啟動，無沖擊啟動。

治理效果：通過諧波治理，有明顯的電能質量改善效果。

主要核心器件：設計裕量充足，過載能力強，裝置運行穩定可靠。IGBT選用國內外知名品牌IGBT器件；控制器選用美國TI及Altera公司的處理器芯片，控制架構成熟穩定。

裝置實現全自動控制設計，自動檢測并跟蹤電網諧波變化，投運后定期維護即可。

有源濾波裝置獨立于電網阻抗及系統阻抗，不受電網阻抗和系統阻抗變化的影響。

功率損耗：裝置采用專有的散熱系統設計，成套裝置損耗小于總容量的3%。

控制系統采用特有的軟啟動方案，從而消除投退瞬間對電網的擾動，實現對電網的無沖擊啟動。

3.2.2 無功補償柜

采用可控硅投切開關，過零投切，無涌流，性能可靠，損耗小。具有超限保護報警功能，報警值可由用戶自行設置，具有手動和自動二種控制方式，便于調試。

電容器：采用特殊設計，降低自身發熱、增大場強延長使用壽命長，損耗小，可長期在線投入使用。具有雙重保護即過壓力防爆功能，二次溫度保護。

電抗器：采用干式鐵芯銅線電抗器，具有損耗低，電抗器正常運行時溫升不超過40K。抑制5次以上諧波的放大及諧振現象的發生，并濾除部分諧波。

圖3 APF投入前后的電流畸變率

圖4 APF投入前后的功率因數和電能

3.3 改造后的綜合效益

3.3.1 改造前后數據對比

用FLUKE435電能質量分析儀在現場對變壓器配電系統進行電能質量測試，測試數據如圖3和圖4所示，其中數據僅體現當時工況。圖3中APF投入前，在相同負荷下，壓榨榨機饋線電流畸變率為22.8%；APF投入后，在相同負荷下，壓榨榨機饋線電流畸變率下降到12.8%，降低了10個百分點。圖4有源濾波裝置和無功補償系統投入前，壓榨榨機饋線功率因數只有0.74；有源濾波裝置和無功補償系統投入后，壓榨榨機饋線功率因數達到0.95，高出國家要求0.05個百分點，其中國家要求系統功率因數不能低于0.9。

2017年新增了有源濾波裝置壓榨車間榨機饋線未出現故障情況。2017年以前未增加時設備故障情況，如表2所示。改造前，功率因數只有0.74，電網中還存在大量的諧波電流，對其他設備產生一定的影響。其中APF未投運前，電網電流畸變率達到22.8%，主要以5次和7次諧波為主。其中，5次諧波電流平均值達到491A，無功補償投入后，功率因數提高到0.95。APF投運后，5次諧波電流平均值為220A，5次諧波電流共濾除271A，設備總容量為300A，因為5次總諧波電流超出設備總容量的300A，所以，濾除率按照設備容量計算，5次諧波電流濾除率=271/300=90.3%；APF投運前，7次諧波電流平均值為115A，投運后，7次諧波電流平均值為9A，7次諧波電流共濾除106A，7次濾除率=106/115=92%，分別到達技術要求。

表2 2017年以前未增加有源濾波裝置壓榨車間榨機饋線設備故障情況表

3.3.2 經濟效益

一是功率因數提高。功率因數從0.73提高到0.9以上。變壓器的平均負荷電流減少，變壓器銅損減少。變壓油溫從80℃降到60℃，電纜線溫度大幅度下降。

二是提高生產效率。無功補償兼有源濾波裝置投入后，功率因數提高了，壓榨速度有大幅度提高。原來有三個變壓器供電，現將3#停用作備用變壓器，由1#、2#變壓器供電。

三是提高設備運行可靠性，延長設備壽命。無功補償和有源濾波裝置投入后，負荷無功電流、諧波電流減少，設備的發熱、損耗降低。系統內各元件損壞率降低，設備絕緣老化減緩，故障率下降，延長設備壽命，因而提高了糖廠整體用電的安全性。

四是供電系統效益。無功功率的減少，不僅節約企業自身的電費開支，還減少了電網的線損和變壓器容量的占用。諧波污染的減少，降低了對通迅、自動控制裝置、電能計量和繼電器保護的干擾、提高了電網的安全性能。

4 結論

綜上所述，糖廠壓榨車間榨機饋線系統增加有源濾波和無功補償裝置具有很高經濟效益，不但具有提高生產效率，減少設備故障和變壓器及線路損耗，降低變壓器運行溫度，增加變壓器使用壽命，保證糖廠壓榨車間榨機自控系統設備的安全穩定運行，而且還具有節省電能和優化電能質量等優點。為糖廠清潔能源的有效利用奠定基礎。