濾波補償裝置在變頻器中的應用

用戶情況介紹

    河北某板業公司是生產彩色鋼板的廠家，生產線電氣設備主要為變頻器，變頻器屬于典型諧波源，產生大量諧波，造成補償電容器無法正常投入運行且電容器再投入后造成諧波放大，用電設備運轉故障率高，電容器經常燒毀，功率因數僅為0.8，每月產生利率電費調整3.8萬元左右，變壓器溫度在夏季達67度，造成電能浪費，壽命縮短。

一、彩鋼板生產線概述

彩鋼板生產線車間以0.4kV電壓供電，其主要電氣設備為6脈動整流變頻器，整流設備在工作中在把交流變為直流的同時產生大量的諧波，屬典型諧波源；諧波電流注入電網，在電網阻抗上產生諧波電壓，引起電網電壓電流畸變，影響供電質量及運行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對電網和工廠本身電氣設備均會產生不良的影響。

特征諧波分析

1） 變頻器整流裝置為6脈動可控整流；

2） 整流裝置所產生的諧波為6K+1次奇次諧波，采用傅立葉級數對電流進行分解變換，可知電流波形含有6K±1次高次諧波，根據對中頻爐的測試數據，其諧波電流含有量見下表：

6脈動橋式換流器諧波電流含有量：（In/I1）

變頻器在工作過程中，產生大量的諧波，針對測試及計算結果，特征諧波主要以5次為、7次，諧波電流比較大，電壓電流畸變嚴重。

二、供電系統及數據

公司由一路10KV進線，廠內安裝2500KVA整流變壓器2臺，均為10KV/0.4KV。整流變壓器分別帶2條彩鋼板生產線，如下圖：

三、濾波補償裝置設計依據

1、根據電能質量　　公用電網諧波　　　　GB/T14519-1993

2、根據電能質量　　電壓波動和閃變　　　GB12326-2000

3、低壓無功功率補償裝置總技術條件　GB/T　15576-1995

4、低壓無功就地補償裝置　　　　　  JB/T　7115-1993

5、根據供電系統阻抗和相關參數

6、根據現場測量結果及仿真計算

四、治理方案

1、 治理目標

    根據企業實際情況，我公司針對變頻器諧波治理無功補償設計了整套濾波補償方案，綜合考慮負荷功率因數、諧波吸收需要和背景諧波，在企業變壓器2500KVA 低壓側各安裝一套諧波濾波裝置對諧波進行治理，原有電容補償柜退出運行。

濾波裝置諧波電流的設計滿足國標GB/T14549-93《電能質量　公用電網諧波》的管理規定。

l 在0.4KV系統運行方式下，濾波設備投運后，濾波器吸收點處某次諧波的幅值及含有量都有大幅度下降，功率因數0.95以上。

l 不因為投入濾波裝置而引起某次諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。

2、方案確定

由于變頻器在工作過程中諧波較大，如5次諧波達到了基波電流的20.5%，對電網、設備本身和其它用戶都造成了不同程度的影響。另外，考慮設備的功率因數特點，在設計時要做到諧波消除補償無功提高功率因數等。

針對設備的特性本方案采用濾波兼無功補償的方式，它的主要作用：改善供電系統的穩定性；抑制諧波電流以減少諧波造成的危害，提高功率因數。

彩鋼板生產線工作過程負荷相對比較穩定，諧波含量較大，功率因數較低。從測試數據看主要諧波成分是5次 、7次其中以5次諧波為最大，電壓畸變嚴重。綜上因素考慮濾波裝置設計5次LC濾波主吸收支路及11條精補濾波之路，吸收5及以上次數的諧波同時補充功率無功提高功率因數。方案采用仿真法對各回路投入時是否產生非特征頻率的諧振進行分析，并最終確定回路的參數。

3、技術特點

l 針對用戶系統諧波無功專門設計制造，消除特性諧波補償無功功率，濾波效果明顯。

l 對于5諧波電流吸收率達到80%以上，諧波滿足  GB/T14549-93要求。 

l 根據諧波源的特性設定濾波器的投切方式和控制策略。

l 檢測系統情況，按照負荷的無功電流、諧波電流進行實現跟蹤。  
使受電功率因數提高到0.95以上，降低配電網的線損、增加配電變壓器的承載效率。

l 補償過程中電網電壓波動滿足國家標準GB/12326-90要求，即：滿負荷到輕負荷補償變化引起的一次側電壓波動≤2.5%。

l 裝置保護措施：過電壓保護、過電流保護、欠電壓保護、接地保護、 過熱保護。

l 系統不產生無線電（射頻）電磁干擾。

l 運行方式：全自動，連續工作。

l 供電系統及濾波原理圖：

五、結論

1、濾波補償裝置投入運行，自動跟蹤中頻爐的各種負載設備變化，使各次諧波得到有效濾除。

2、未治理前電壓總畸變率(THD)嚴重超出國標5%的限值要求。經治理, 電壓總畸變率(THD)從原來的8.6%,降止2.3%,各次諧波都符合國標GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》標準要求。

3、經治理諧波電流都得到有效改善，諧波電流吸收率大于80%以上，符合設備設計要求。如5次諧波電流從338A,降止48A左右， 注入公共點的各次諧波電流均符合國標GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》要求。

4、濾波裝置投入后系統的功率因數得到大幅提高，供電系統0.4KV側從原來的0.8左右提到0.97以上,有功功率、視在功率、無功功率都得到節省，有效降低用電設備和供電線路的損耗。

5、諧波治理后變壓器溫度由原來的67度降低到45度，節省了大量電能，變壓器使用壽命延長。

6、通過治理后有效改善了彩鋼板生產線的供電電能質量，提高了變頻器電源的利用效率,有利于系統的長期安全、經濟運行,產生更好的經濟效益。