电能质量问题解决方案（典型电能质量问题的解决方案）
电能质量问题解决方案（典型电能质量问题的解决方案）我国《GB/T 14549-93 电能质量公用电网谐波》谐波电压和谐波电流的限制：工厂负荷状况为轻载调试期，供电系统不仅出现了谐波问题，还有三相负荷不平衡等问题，电气主控室CT断线报警白班（8:00时-16:00时）最高达120次，精整、热轧车间多次出现价格昂贵的电子元件烧坏、严重时所有的轧机设备因电能质量问题均无法启动。国内某大型新型材公司采用了美国Bricmont的熔保炉、德国西马克1 4热轧机及单机架和三机架、意大利FATAHunter涂层线等全球一流的进口设备与技术，生产现代铝箔坯料、板材等高精端产品。该公司总降变电站进线为两路220kV，通过220kV1#、2#主变压器变为10kV供厂内使用，二台主变容量为63MVA；10kV单母线分段，两段母线通过母联开关可以并联。厂内共包含：热轧车间、冷轧车间、空压站、精整车间、熔铸车间5个单位。下图为220kV总降变电站10kV系统图。
摘 要本文结合国内最先进的高精密生产线，由于设计院在供电设计中将大量变频器、大功率整流设备与要求较为苛刻的进口成套设备混用，导致了严峻的电能质量问题，出现谐波、三相不平衡、电压闪变等问题。设备运行需要的电能质量既要满足国标《GB/T 14549-93电能质量-公用电网谐波》，又要满足欧标《EN50160欧洲电网电压质量限值标准》 。
作者带队外出考察，足迹8个省市，考察涉及太阳能发电、科研单位、钢铁、铝板带深加工、电解铝、化纤等20多家单位，最终确定了全厂的综合电能质量治理方案，本文可作为各发、输、配电系统电能质量治理的参考文件，不足之处还请指正。
类型：应用研究
1国内及国外的电能质量治理情况就目前国内及国外的电能质量治理的方案而言，不外乎从低压、中压和高压三个层面进行治理。低压主要为有源滤波APF和无源滤波FC。中压系统因大量的低次谐波在上一级电压系统中是可以相互抵消的，最为经济的手段是不治理和留到高压去治理。高压系统一般是三种方案：SVC、MCR、SVG。
2大型冶金行业中典型电能质量问题及解决方案2.1存在的典型问题国内某大型新型材公司采用了美国Bricmont的熔保炉、德国西马克1 4热轧机及单机架和三机架、意大利FATAHunter涂层线等全球一流的进口设备与技术，生产现代铝箔坯料、板材等高精端产品。
该公司总降变电站进线为两路220kV，通过220kV1#、2#主变压器变为10kV供厂内使用，二台主变容量为63MVA；10kV单母线分段，两段母线通过母联开关可以并联。厂内共包含：热轧车间、冷轧车间、空压站、精整车间、熔铸车间5个单位。
下图为220kV总降变电站10kV系统图。
工厂负荷状况为轻载调试期，供电系统不仅出现了谐波问题，还有三相负荷不平衡等问题，电气主控室CT断线报警白班（8:00时-16:00时）最高达120次，精整、热轧车间多次出现价格昂贵的电子元件烧坏、严重时所有的轧机设备因电能质量问题均无法启动。
2.2我国标准限值及欧洲标准限值我国《GB/T 14549-93 电能质量公用电网谐波》谐波电压和谐波电流的限制：
国标中公用电网谐波电压（相电压）限值
|
电网电压（kV） |
电压总谐波畸变率（%） |
各次谐波电压含有率（%） | |
|
奇次 |
偶次 | ||
|
0.4 |
5.0 |
4.0 |
2.0 |
|
10 |
4.0 |
3.2 |
1.6 |
欧标《EN50160：欧洲电网电压质量限值标准》中规定的电网中各次谐波电压限值：
|
谐波次数 |
H2 |
H3 |
H4 |
H5 |
H6 |
H7 |
H8 |
H9 |
H10 |
H11 |
H12 |
H13 |
|
THD限值 |
1.9% |
3.0% |
1.0% |
5.0% |
0.5% |
4.0% |
0.5% |
1.3% |
0.5% |
3.0% |
0.5% |
2.5% |
|
谐波次数 |
H14 |
H15 |
H16 |
H17 |
H18 |
H19 |
H20 |
H21 |
H22 |
H23 |
H24 |
H25 |
|
THD限值 |
0.5% |
0.5% |
0.5% |
2.0% |
0.5% |
1.5% |
0.5% |
0.5% |
0.5% |
1.5% |
0.5% |
1.5% |
1#、2#主变的10kV母线的母联开关处于断开状态，测试时，由于全厂大部分设备处于调试阶段，所以两段10kV母线的负荷率都较小（小于变压器额定容量的20%）。
测试期间工厂负荷状况为轻载调试期。
测试点：总降Ⅰ段10kV母线总进线柜、总降Ⅱ段10kV母线总进线柜
测试点负荷率：Ⅰ段负荷率为15%，Ⅱ段负荷率为17%
测试仪器：FLUKE 435-II
两段10kV母线的测试结果见下表。
1#主变10kV侧总电压的各次谐波分量
|
项目名称 |
A相 |
B相 |
C相 | |||
|
95%概率值 |
国标值（%） |
95%概率值 |
国标值（%） |
95%概率值 |
国标值（%） | |
|
THD（%） |
3.2 |
4 |
3.2 |
4 |
3.4 |
4 |
|
H1（kV） |
5.78 |
- |
5.75 |
- |
5.77 |
- |
|
H23（H1%） |
2.3 |
3.2 |
2.4 |
3.2 |
2.5 |
3.2 |
|
H31（H1%） |
0.7 |
3.2 |
0.7 |
3.2 |
0.8 |
3.2 |
|
H35（H1%） |
1.1 |
3.2 |
1.1 |
3.2 |
0.9 |
3.2 |
|
H37（H1%） |
1.8 |
3.2 |
1.7 |
3.2 |
1.9 |
3.2 |
|
H41（H1%） |
2.1 |
3.2 |
2.0 |
3.2 |
2.2 |
3.2 |
|
H49（H1%） |
2.2 |
3.2 |
2.3 |
3.2 |
2.4 |
3.2 |
1#主变10kV侧总电流的各次谐波分量
|
项目名称 |
A相 |
B相 |
C相 | |||
|
95%概率值 |
国标值（A） |
95%概率值 |
国标值（A） |
95%概率值 |
国标值（A） | |
|
H1（A） |
546 |
- |
534 |
- |
544 |
- |
|
H3（A） |
6.0 |
82 |
5.3 |
82 |
5.19 |
82 |
|
H5（A） |
6.3 |
82 |
7.1 |
82 |
6.9 |
82 |
|
H7（A） |
5.9 |
61.5 |
5.8 |
61.5 |
5.4 |
61.5 |
|
H23（A） |
25.2 |
18.5 |
25.8 |
18.5 |
26.1 |
18.5 |
|
H31（A） |
7.1 |
- |
6.7 |
- |
6.8 |
- |
|
H35（A） |
7.8 |
- |
9.6 |
- |
8.6 |
- |
|
H37（A） |
14.3 |
- |
13.2 |
- |
14.4 |
- |
|
H41（A） |
15.1 |
- |
14.1 |
- |
14.4 |
- |
|
H49（A） |
13.2 |
- |
12.6 |
- |
13.8 |
- |
1#主变10kV侧谐波频谱图（高次谐波较严重）
2#主变10kV侧总电压的各次谐波分量
|
项目名称 |
A相 |
B相 |
C相 | |||
|
95%概率值 |
国标值（%） |
95%概率值 |
国标值（%） |
95%概率值 |
国标值（%） | |
|
THD（%） |
2.5 |
4 |
2.5 |
4 |
2.5 |
4 |
|
H1（kV） |
5.84 |
- |
5.82 |
- |
5.83 |
- |
|
H5（H1%） |
0.4 |
3.2 |
0.4 |
3.2 |
0.4 |
3.2 |
|
H11（H1%） |
1.6 |
3.2 |
1.6 |
3.2 |
1.6 |
3.2 |
|
H13（H1%） |
1.1 |
3.2 |
1.1 |
3.2 |
1.1 |
3.2 |
|
H23（H1%） |
1.1 |
3.2 |
1.1 |
3.2 |
1.1 |
3.2 |
|
H25（H1%） |
0.7 |
3.2 |
0.7 |
3.2 |
0.7 |
3.2 |
|
H37（H1%） |
0.7 |
3.2 |
0.6 |
3.2 |
0.6 |
3.2 |
|
H41（H1%） |
1.3 |
3.2 |
1.3 |
3.2 |
1.4 |
3.2 |
|
H43（H1%） |
1.5 |
3.2 |
1.4 |
3.2 |
1.4 |
3.2 |
|
H47（H1%） |
0.8 |
3.2 |
0.8 |
3.2 |
0.8 |
3.2 |
|
H49（H1%） |
0.9 |
3.2 |
0.9 |
3.2 |
0.9 |
3.2 |
2#主变10kV侧总电流的各次谐波分量
|
项目名称 |
A相 |
B相 |
C相 | |||
|
95%概率值 |
国标值（A） |
95%概率值 |
国标值（A） |
95%概率值 |
国标值（A） | |
|
H1（A） |
618 |
- |
644 |
- |
662 |
- |
|
H3（A） |
9.2 |
82 |
8.2 |
82 |
5.0 |
82 |
|
H5（A） |
154.7 |
82 |
181.2 |
82 |
161.1 |
82 |
|
H7（A） |
24.8 |
61.5 |
27.3 |
61.5 |
24.2 |
61.5 |
|
H11（A） |
46.4 |
38.1 |
53.8 |
38.1 |
47.3 |
38.1 |
|
H41（A） |
17.2 |
- |
19.9 |
- |
18.0 |
- |
|
H43（A） |
17.4 |
- |
20.8 |
- |
17.4 |
- |
2#主变10kV侧谐波频谱图（高次谐波较严重）
1#、2#主变10kV侧电能和功率报表
|
项目名称 |
有功功率（kW） |
无功功率（kvar） |
视在功率（kVA） |
功率因数 |
|
1#主变10kV侧 |
6100 |
3500 |
7200 |
0.87 |
|
2#主变10kV侧 |
4000 |
4200 |
6000 |
0.69 |
由上表可见，测试时部分运行工况系统功率因数较低。
电压：1#、2#主变10kV侧各次谐波电压有一定的畸变，因为10kV系统与220kV电气距离短，短路容量很大，各次电压谐波分项指标尚能满足我国国标要求，但均已超欧标EN50160规定，主要为高次谐波超标。
电流：1#、2#主变10kV侧的总电流中谐波电流有部分超过国标规定。
2.3.2主要谐波源分析1#主变分析主要谐波源为I段10kV母线所带冷轧车间整流变压器0.6～3kV直流负载产生大量高次特征次谐波，另有部分谐波源为0.4kV非线性负载。
2#主变分析主要谐波源为II段10kV母线所带大量热轧车间整流变压器及其变频器，产生大量特征次谐波，以及部分谐波源为车间0.4kV非线性负载；另外热轧车间一直存在严重的三相电压不对称现象。
2.4治理方案设计2.4.1 0.4kV侧设计（1）大部分低压负荷采用加装并联的APF方案，在低压侧就地补偿系统谐波，并实时补偿三相不平衡和电压闪变。按照变压器负荷率80%的情况设计。
（2）针对重要敏感控制设备，安装LCL串联滤波器进行保护，每套敏感设备电源入口安装一套容量50kVA的LCL低频滤波器，必要的可串入EMC高频滤波。
2.4.2整流变压器二次（0.6—3kV）侧设计基于就地补偿的最佳补偿方式，在整流变压器二次侧对高次谐波进行FC补偿是最有效的手段。但根据整流变的接线拓扑，可以多台变压器组合后形成高数值的脉头整流，这样如果在整流变二次侧进行5、7、11、13等低次特征谐波FC并联滤波将带来许多浪费。因此只在整流变10kV侧串联额定容量8-10%左右电抗器，阻挡高次谐波注入10kV母线系统，5、7、11、13等低次特征谐波可以在10kV母线侧抵消。这样最为经济。3KV侧暂不进行治理。
2.4.3 10kV侧设计对10kV母线治理目标为稳定母线电压，治理电压闪变、谐波、三相不平衡。
- 预估治理谐波容量及三相不平衡和电压闪变治理容量，在10kVⅠ段、II段母线上分别加装20Mvar的SVG。每相18链节，三角形接法，三相共计54链节。
（2）根据10kV母线谐波电流的特点，在10kV母线上安装11次、13次、17次和19次高通滤波器。10kV二段母线各安装4组FC：
|
滤波支路次数 |
11 |
13 |
17 |
19高通 |
合 计 |
|
电容器总安装容量（kvar） |
5300 |
3500 |
2000 |
3000 |
13800 |
|
每台电容器额定电压（kV） |
7.6 |
7.6 |
7.6 |
7.6 |
- |
|
电容器电容值（uF/相） |
230 |
153 |
87 |
55 |
- |
|
电抗器额定电压（kV） |
10 |
10 |
10 |
10 |
- |
|
电抗器额定电流（A） |
804 |
533 |
303 |
295 |
- |
|
电抗器额定电感（mH/相） |
0.38 |
0.41 |
0.42 |
0.25 |
根据系统参数，在 PCSAD 下搭建数字仿真模型：
按照 70MW 有功、20Mvar 无功模拟负载：
滤波前：
滤波后：
滤波前后无功变化：
滤波前后有功变化：
随着电力系统的不断发展，大量新型负荷的发展，负荷结构发生了质变，电能质量由过去简单的电压偏差和频率偏差两大指标，扩展到目前包括谐波、间谐波、电压波动和闪变等在内的多指标，电能质量综合指标的探讨以及对于电能质量监督、治理和管理，对于工业发展均有重要意义，各级科研、设计、生产、应用的不同结构和群体应有较为全面的认识，以利于进一步开展研究、探讨，使之不断完善。
