基于波阻尼電壓諧振抑制系統的電能質量治理在整流供電系統中的研究和應用

孫全成，張 磊，李曉寧，王英哲，趙樂樂

（河南神馬氯堿發展有限責任公司，河南 平頂山467242）

1 整流供電系統存在的問題

1.1 整流系統供電運行現狀

10 萬t/a 離子膜燒堿整流系統供電有兩條35 kV 線路，供電方式特殊，在電網下電的同時還有部分發電機發電，一條回路中升壓、降壓變壓器多，供電線路長達7 km，架空地埋混合，每條35 kV 線路各帶2臺容量為1250 kVA 整流變壓器。每臺整流柜額定容量為KHS—15 kA/400 V，每臺整流柜帶一臺離子膜電解槽。整流柜的主電路采用三相橋式同相逆并聯形式，單柜6 脈波，一套機組組成等效12 脈波。共4 套機組8臺整流柜，組成等效48 脈波。該35 kV 線路除了低次諧波外，還有很大的高次諧波，危害頗深，多次造成高壓電纜絕緣擊穿，地埋且長度長，電纜故障后，查找故障點非常難，有時長達半個月，給該公司的安全生產造成嚴重影響。

總之該線路帶載能力差，功率因數低，諧波嚴重超標，供電電纜多次發生絕緣擊穿事故，對上級供電系統的安全運行存在影響。

1.2 波阻尼電壓諧振抑制系統在整流供電系統中的研究和應用必要性

系統功率因數較低，功率因數不達標。無功量及電壓波動較大，整流柜的導通角不易控制，給整流系統的安全運行帶來隱患，如電壓波動大，有載開關頻繁升降檔，直流電流波動大，造成工藝后續控制難度大等等。供電線路帶載能力差，尤其35 kV 氯Ⅱ線，線路導線截面積（YJLV-35/26 kV-3×240）相對所帶負荷（1.7 MW）偏小，導線存在發熱隱患，限制滿負荷生產。供電線路的諧波電壓、諧波電流嚴重超標，經諧波測試，諧波電流11，13，17，19，23，25 次均超標，高的超過國標限值2 倍多，諧波電壓總畸變率（19%）超國標（3%）6 倍多。

1.3 整流供電系統電能質量測試狀態

（1）電壓閃變。C 相的長時間電壓閃變為1.021，超過國標限制1.00 的要求。

（2）電壓偏差。A、B、C 三相供電電壓上下偏差絕對值的和依次為4.66%、8.02%、11.10%，C 相超過規定限值10%的要求，不符合國家標準。

（3）三相電壓允許不平衡度。供電系統各測試點的三相電壓允許不平衡度均符合國家標準要求的限值。

（4）諧波電壓現狀。35 kV I 段A、B、C 三相電壓總諧波畸變率的95%概率值分別為17.91%、19.03%、18.86%，超過國標允許值3%，不滿足國標限值要求。其中19 次諧波電壓畸變率分別為15.81%、15.73%、15.84%；23 次諧波電壓畸變率分別為7.69%、7.53%、7.40%；25 次諧波電壓畸變率分別為4.93%、4.95%、5.19%；均超過國標允許值2.4%。

35 kV II 段A、B、C 三相電壓總諧波畸變率的95%概率值分別為9.601%、9.387%、9.759%，超過國標允許值3%，不滿足國標限值要求。其中19 次諧波電壓畸變率分別為3.01%、3.82%、3.10%；23 次諧波電壓畸變率分別為3.96%、4.03%、3.811%；25 次諧波電壓畸變率分別為4.422%、4.037%、4.967%；均超過國標允許值2.4%。

（5）諧波電流現狀。35 kV I 段A、B、C 三相19 次諧波電流95%概率值分別為7.12 A、6.92 A、7.22 A，超過了該回路19 次諧波的允許限值4.63 A。23 次諧波電流95%概率值分別為3.12 A、3.21 A、3.13 A；25 次諧波電流95%概率值分別為2.44 A、2.57 A、2.64 A。

35 kV II 段A、B、C 三相11 次諧波電流95%概率值分別為9.3 A、9.27 A、9.12 A，超過了該回路11次諧波的允許限值8.11 A；13 次諧波電流95%概率值分別為6.97 A、7.15 A、7.3 A，超過了該回路13 次諧波的允許限值6.81 A。23 次諧波電流95%概率值分別為2.86 A、2.83 A、2.67 A；25 次諧波電流95%概率值分別為2.63 A、2.63 A、2.92 A。有功功率、無功功率及功率因數現狀統計見表1。

表1 功率和功率因數情況表

該公司電網高壓側電能質量現狀表現為諧波、功率因數、電壓偏差和閃變不滿足要求，其主要原因是該公司主要負載為整流設備會產生大量諧波，同時無諧波治理設備。尤其是其中的高次諧波以波的形式通過較長的電源進線電纜產生多次折反射，使得高次諧波問題更為突出。

2 波阻尼電壓諧振抑制系統的優點

（1）采用IGBT 管級聯直掛式進行35 kV 高壓供電系統電能質量治理（屬國內首次），改變常規的經變壓器變壓后再連接。在國內首次采用電抗器+IGBT 直掛式主電路拓撲結構，而非普遍的變壓器+IGBT 結構，提高了系統的響應時效，精化了數據采集楨幅，實現了精準、高效的收集及控制。在提高系統的暫態穩定性、阻尼系統振蕩等方面，該設備的性能大大優于傳統裝置；靜止運行，安全穩定，沒有調相機那樣的大型轉動設備，無磨損，無機械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環境影響。

（2）采用數字控制技術，系統可靠性高，基本不需要維護，可以節省大量維護費用；同時，可通過電網調度自動化系統（SCADA/EMS）實現無功潮流和電壓最優控制，是建設中的數字電力系統（DPS）的組成部分；控制靈活、調節范圍廣，在感性和容性運行工況下均可連續快速調節，響應速度可達毫秒級。

（3）連接電抗小，該設備接入電網的連接電抗，其作用是濾除電流中存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠小于補償容量相同的TCR 等SVC 裝置所需的電感量，如果使用降壓變壓器將該設備連入電網，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，使所需的連接電抗器進一步減小。

（4）諧波量小，在多種型式的SVC 裝置中，SVC本身產生一定量的諧波，如TCR 型的5、7 次特征諧波量比較大，占基波值的5%～10%；其他型式如SR、TCT 等也產生3、5、7、11 等次的諧波，這給SVC 系統的濾波器設計帶來許多困難，而該設備則可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理，以消除次數較低的諧波，并使較高次數如7、11 等次諧波減小到可以接受的程度。

（5）該設備中的電容器容量小，在網絡中普遍使用也不會產生諧振，而使用SVC 或固定電容器補償，如果系統安裝臺數較多，有可能會導致系統諧振的產生；由于對電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機構，使該設備裝置的體積小、損耗低。

（6）對系統電壓進行瞬時補償，即使系統電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即該設備產生無功電流基本不受系統電壓的影響； 該設備的端電壓對外部系統的運行條件和結構變化是不敏感的。當外部系統容量與補償裝置容量可比時，SVC 將會變得不穩定，而該設備仍然可以保持穩定，即輸出穩定的系統電壓。

（7）該設備的直流側采用較大的儲能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，不僅可以調節系統的無功功率，還可以調節系統的有功功率。對于電力網來說是非常有益的，這是SVC 裝置所不能比擬的。

3 波阻尼電壓諧振抑制系統的應用

3.1 應用研究的思路

對于測試中發現諧波超標的問題，用無功補償裝置SVG 裝置配套波阻尼電壓諧振抑制系統（SVG）的方式進行綜合治理。因為SVG 可以采用橋式交流電路的多重化技術、 多電平技術或PWM 技術來進行處理，可使低次諧波減小到可以接受的程度，而35 kV I 段和35 kV II 段除了低次諧波外，其高次諧波也很大，如35 kV I 段A、B、C 3 相19 次諧波電流、23 次諧波電流、25 次諧波電流等；35 kV II段A、B、C 3 相23 次諧波電流、25 次諧波電流等，因此需要無功補償裝置SVG 裝置配套波阻尼電壓諧振抑制系統（SVG+ZN）的方式進行綜合治理。

3.2 系統采用主要設備

本次采用SVG 裝置和波阻尼電壓諧振抑制系統進行綜合治理，SVG 的主電路主要包括控制系統、IGBT 功率變換器和電抗器部分。通過對功率變換器的控制，可以調節功率變換器的輸出電壓，進而調節電抗器上的電流，使SVG 吸收或發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的； 同時使SVG 產生指定的諧波來補償負荷中的電流諧波，實現諧波補償的目的。阻尼電壓諧振抑制裝置有電抗器、電容、反波電阻等組成，可以濾除高次諧波。

4 波阻尼電壓諧振抑制系統的應用效果

（1）供電線路的諧波電壓、諧波電流由超過國標限值2 倍多，諧波電壓總畸變率（19%）超國標（3%）6 倍多，降低到國標限值。對電纜安全運行提供強有力保障，降低電纜及架空線路的故障率。投運前后諧波電壓、諧波電流（以23 次為例）對比見附表2。

表2 投運前后諧波電壓、23次電流總畸變率及功率因數對比

（2）功率因數得到有效提高，經過長時間運行，高壓電纜運行穩定。

（3）線路帶載能力增大，上級供電系統更加安全。為10 萬t滿負荷生產提供支撐。

（4）無功量及電壓波動大大降低，大大減少整流柜導通角大幅波動帶來的直流電流波動的安全隱患。

5 波阻尼電壓諧振抑制系統的效益分析

5.1 經濟效益

由電能質量測試結果看出，波阻尼電壓諧振抑制系統投入運行后，以35 kV II 號線路為例，總線電流由297 A 下降到268 A，按照國家標準GB 12497中規定的無功經濟當量計算供電線路和變壓器節能，則每年可節約電量約106 萬kW·h，每年功率因數提高后減少的電費約為33.6 萬元。

5.2 社會效益

根據前述計算可知波阻尼電壓諧振抑制系統投運的社會效益是十分明顯的。在投運之后，減少煤炭消耗356 萬t/a；降低二氧化碳排放量1381.5 t/a。