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商业综合体电压源型谐波源电能质量治理案例

2016-12-09 12:02:14   来源:   评论:0 点击:
项目背景
 
某国际购物中心建筑中空调机组庞大、通风设备、照明和电梯设备众多,这些设备的变频机构、控制部件以及计算机系统设备都是典型的非线性负载,产生的谐波流入配电系统,污染电网,不仅会对无功功率补偿设备造成潜在影响还会影响各类电气设备正常运行,降低系统效率,增加电力成本。谐波电流直接导致中性线严重过载、会使电缆、变压器的温度升高,引起电容超温,甚至爆炸。降低其它电气设备的使用寿命,对配电系统安全可靠运行有着重大影响。
 
为了有效治理谐波,在D区4#变压器400V母线上加装了有源滤波器(以下简称APF)。
 
 
项目概况
 
结合系统中的谐波含量,为系统配置了900A的有源滤波器。其中D区4#和D区5#变压器分别配置了600A和300A的有源滤波器。
 
目前,在这种配置下,有源滤波器能够发挥非常好的滤波作用,系统中的谐波得到很大程度的滤除。但是由于该变压器下的负载属于电压源型负载,在APF补偿时会造成负载谐波电流的放大,补偿率越高放大效应会越严重,主要原因是该变压器下的西门子430系列的变频器输入端都未安装有输入电抗器,而影响谐波放大效应的因素主要由:电压变化率、并联型APF的谐波补偿率、系统阻抗以及交流侧阻抗相关,在实际应用中最容易实现的为更改交流侧阻抗和APF的补偿率,但是改变APF的补偿率会导致达不到最佳补偿效果。所以最常用的方案是采用在变频器交流侧安装输入电抗器来增加交流侧阻抗,本现场由于电压畸变率非常高,且负载侧谐波电流放大非常明显,所以采用在变频器前端安装电抗率为4%的电抗器。
 
由于篇幅限制,在此仅对安装点D区4#变压器的治理效果进行分析。安装点为D区4#变压器低压侧总进线,设备在现场的安装照片如图1所示。有源电力滤波柜柜体尺寸仅为600mm*1000mm*2200mm(W*D*H),滤波柜中放置4个150A模块,总安装容量为600A。
 
此系统电流畸变率高达40%左右,大量的谐波电流作用在系统阻抗之上,使得变频器输入侧也发生了8.7%左右的畸变。这一数值已经远远超过国标中对于400V系统谐波电压畸变率不能超过5%的要求(GB/T14549-93)。
 
经过有源滤波器有效滤波之后,系统电流畸变率降到4%以内,谐波电流得到消除之后也使得系统的电压畸变率降低为2.5%左右。
 
 
数据分析
 
滤波前的电流波形如下图1所示。电流畸变率分别为:41.6%(A)、44.3%(B)、40%(C),从图中可以看出,系统电流波形已经完全偏离正弦波,表现为双头波形式。
APF投入后的系统电流波形如图2和图3所示。
a)图2为未安装输入电抗器的补偿效果;
b)图3为安装输入电抗器之后的补偿效果;
 
安装输入电抗器之后的电压畸变率系统电流波形如图4-6所示。
a)图4为未安装输入电抗器的补偿效果;
b)图5为APF关闭时的电抗器输入端;
c)图6为APF开启时的电抗器输入端;
 
从图中可以看出:
经加电抗且APF滤波之后,系统电流波形接近平滑的正弦波,各相电流畸变率分别降为3.6%、3.8%、3.7%。相比变频器前端无电抗器的补偿效果7.8%、9.2%、7.6%的补偿效果,明显得到更好的治理。
 
变频器前端的电压畸变率经输入电抗器之后,得到了很好的抑制,各相的电压畸变率分别降为5.7%、5.3%、5.7%。相比变频器前端无电抗器系8.3%、8.4%、8.7%的效果,明显得到更好的治理。另外,APF开启后电压畸变率得到进一步降低,全部达到3%以下。
 
经过APF滤波之后系统电压、电流质量均有很大的提升。为了更详细的看到APF的滤波效果,我们可以参考系统滤波前后的电流频谱图,如图7-10所示。APF开启后,系统中主要5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波含量明显减小,高次谐波也都有很好的滤波效果。
 
 
效果总结
 
(1).该商业综合体的电压畸变非常严重,THDu已经达到了8%之大,远远超出了GB/T14549-93中低于5%的要求。而当有源滤波器开启后,对电压畸变治理的作用非常显著,该变压器二次侧谐波电压畸变均大大降低,而且均低于国标的要求。THDu最大值从8.3%降低到了2.5%。
 
(2).该商业综合体严重的电流畸变也得到了很好的治理,治理效果尤其明显,其中:电流畸变率THDi从41.6%下降到3.6%。5次和7次谐波电流分别有滤波前的420.1A和179.6A下降到滤波后的24.7A和15.7A使得各次谐波电流都得到很好滤除,电流波形恢复正弦波。
 
(3).该台变压器所带的负载为:冷却泵、冷水泵、溶液泵,所有泵都安装有西门子430系列变频器,且变频器前端都未安装有输入电抗器,变频器使用了6脉动整流的方式,所以5次、7次、11次、13次等谐波含量都特别大。当有源滤波器开启后,电能质量提升作用明显,给各泵类负载提供了一个很好的用电环境。
 
(4).采用改变交流侧阻抗的方法可以很好的改善电压源型负载导致APF补偿效果不佳的影响。且也是容易实现和节省成本的一种方式。
 
总体来看,安装了APF后,该变压器的电能质量情况均满足了GB/T14549-93中对THDU和THDI的要求。由于各变压器下的泵在运行过程中产生大量的谐波电流,对变压器下的负载正常运行带来相当大的危害,当APF开启后,提升了电能质量,满足了配电系统的要求,有效地改善了该商业综合体电网电源的质量。同时,这也是一次采用改变系统阻抗方式解决APF治理电压源型谐波源负载侧谐波放大问题的成功案例,对其他工程实践具有借鉴意义。

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