氰化車間電能質量問題分析與治理

陳 杰 劉建業 楊 軍

（山東華天電氣有限公司）

0 引言

氰化車間負載屬于電壓型諧波源，其自身的工作特性造成日益嚴重的諧波污染，波形畸變嚴重，大量的諧波嚴重影響電網的電能質量。

1 背景需求

某氰化車間工況如下：工作電流在2300A 左右；功率因數在0.9 左右；諧波電壓畸變率為8.9%，已超國標最高限值5.0%；5 次諧波電流絕對值為338.7A；7 次諧波電流絕對值為118.1A。5 次、7 次諧波為特征次諧波，諧波次數越高，諧波相對值越小?，F場電壓波形畸變嚴重，影響企業內各種用電設備的運行質量與可靠性，并導致配電變壓器、充放電機變壓器鐵損和雜散損耗增加，電機類負載效率下降；大量高次諧波電流導致視在功率顯著增加，功率因數降低，配電變壓器負荷加重、損耗顯著增加，并可能發生局部過熱問題，配電線路額外發熱、線損增加。

圖1和圖2是氰化車間未投入濾波設備時測試數據。

圖1 電流波形與幅值

圖2 電流諧波（15.2%）

2 電壓型諧波源介紹

諧波源分為電流型諧波源和電壓型諧波源。直流側含有濾波電容的整流電路的非線性負載，如發電機、變頻器等諧波源具有電壓源的特性，屬于電壓型諧波源，如圖3 所示。

圖3 電壓型諧波源原理圖

直流側為電流濾波的整流器，其直流側電壓Uc基本為恒值。此類諧波源產生的諧波電壓主要由直流側本身的特性決定，基本與交流側參數無關，有類似電壓源的性質，可以用一個理想諧波電壓源與一個等效阻抗串聯等效。如圖1 所示，濾波電容C越大，等效阻抗就越小，諧波源特性就越接近理想諧波電壓源。當C足夠大時，則可以看成理想諧波電壓源。因此，直流側是電容濾波的整流器可以看成電壓型諧波源。圖4 為電壓型諧波源等效原理圖。

圖4 電壓型諧波源等效原理圖

3 無源濾波器的結構形式及特性

有源濾波器和無源濾波器是目前電網諧波抑制的主要手段。有源濾波器是一種可以動態濾除諧波、補償無功的電力電子裝置。無源濾波器是將來自諧波源的諧波分量與電源系統阻抗分流。雖然有源濾波器相對于無源濾波器性能更優越，但由于成本及可靠性問題，在工程上多數還是采用無源濾波器的方式。

無源濾波器由濾波電容器、濾波電抗器組合而成，通常由若干個相同或者不同類型的濾波通道組成，每個濾波通道在某一諧波頻率附近呈低阻抗特性，利于諧波電流吸收，使流入電網的諧波電流減小，從而達到諧波治理的目的。無源濾波器在基波狀態下，通常呈容性，因此除具有濾波作用外，還具有無功補償的功能。無源濾波器分為單調諧濾波器、高通濾波器和雙調諧濾波器等幾種，以單調諧濾波器為主。

在實際應用中，無源濾波器的諧振頻率不會設計在諧振點上。例如，5 次無源濾波器的諧振點不會設計在250Hz，因為極小的5 次諧波電壓會在趨近于0的回路產生極大的5 次諧波電流。因此，5 次無源濾波器的諧振點通常設計小于250Hz。圖5 為無源濾波器結構原理圖。

圖5 無源濾波器結構原理圖

4 電壓型諧波源負載特性

無源濾波器未投入時，電壓型諧波源負載等效特性如圖6 所示。

圖6 設備投入前負載側諧波電流通路

由圖6可得，無源濾波器投入前負載諧波電流為：

無源濾波器投入后，電壓型諧波源負載等效特性如圖7 所示。

圖7 設備投入后負載側諧波電流通路

由圖5可得，無源濾波器投入后負載諧波電流為：

由式（1）和式（2）可以得出，補償設備投入后，負載側諧波電流變大了。

假設補償前源側諧波電流為Ish，補償后源側諧波電流為Ish’，如圖8 所示。

圖8 設備投入前后源側諧波電流通路

由圖8 可得，補償前源側諧波電流：

補償后源側諧波電流：

由式（4）可以得出：

由式（3）和式（5）可以得出，補償設備投入后源側諧波電流會較補償前減小。

假設諧波濾除率為k%，補償前后濾除率對比：

由式（3）、式（4）和式（6）可以得出：

由式（7）可以得出，補償諧波電流為：

由式（8）可以得出，補償諧波電流大小與負載所串電抗成反比，因此負載串聯電抗器能有效降低所需補償的諧波電流（若Zlh很小，不串聯電抗器，想要達到理想的濾除率需要的補償電流很大）；濾除率越高，補償的諧波電流越大。因此，現場安裝無源濾波器需綜合考慮各方面因素，并不是諧波濾除率越大越好。

5 裝置現場應用測試

通過對氰化車間現場測試數據分析，為解決現場諧波放大及功率因數要求，加裝一臺無源濾波補償設備。5 次、7 次諧波為負載特征次諧波，諧波次數越高，諧波相對值越小。為防止濾除7 次諧波的同時放大5 次諧波，設計了以5 次單調諧濾波器方案，濾除系統特征次諧波。

由補償裝置運行前后測試數據可以看出，無源濾波器投入運行后電壓電流波形明顯改善；功率因數由0.88 提高到1.00；諧波電壓畸變率由7.3%下降到3.5%；諧波電流畸變率由16.6%下降到7.7%；視在電流下降約為350A，5 次特征次電流諧波含量明顯降低，由15.5%下降到6.0%；并且對7 次等高次諧波電流有一定的濾除效果。

無源濾波器在氰化車間投入運行后，治理效果非常明顯，降低了電網中的電壓諧波和電流諧波含量，提高了功率因數，使得整個配電系統電能質量得到大幅提升，用電環境得到改善，減少了用戶的電費支出，并保證了用電設備的可靠運行，達到了預期效果。裝置應用前后測試數據對比具體如下所示。

5.1 現場測試數據對比—波形

如圖9 所示。

5.2 現場測試數據對比—諧波

如圖10 所示。

圖10 諧波對比

5.3 現場測試數據對比—功率因數

如圖11 所示。

圖11 功率因數對比

6 結束語

無源電力濾波器在氰化車間投入后，運行穩定，治理效果明顯。降低了電網中的電壓諧波和電流諧波含量，提高了功率因數，使得整個配電系統電能質量得到大幅提升，用電環境得到改善，減少了用戶的電費支出，達到了良好的效果。

無源電力濾波器同時兼顧了無功補償、電網調壓及諧波濾除的功能，并且其造價低，性能可靠，在吸收特征次諧波方面效果明顯。同時，由于補償諧波電流大小與負載所串電抗成反比，因此負載側串聯電抗器能有效降低所需補償的諧波電流，可以達到更好的濾波效果。由于有源濾波器造價高、運行損耗大、安裝容量小，因此，在電壓型諧波設備的治理方面無源濾波器有著廣泛的應用前景。