低压无功补偿装置改造中APF的应用

杨玉洁，徐开军

（中盐吉兰泰盐化集团有限公司，内蒙古阿拉善乌斯太经济开发区750336）

1 引言

电力系统中常见的用电设备如异步电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。为了最大限度地减少无功功率的传输损耗，提高输配电设备的效率，无功补偿设备的配置，应按照“分级补偿，就地平衡”的原则，合理布局。

水泥行业变压器大都处于高无功运行状态，不补偿时功率因数一般低于0.8，其电网上大量的无功损耗及电压降最终导致生产设备生产效率不高，而且能耗增加，每月用户需要多支付很多无功电费。

电网上产生的无功功率如果得不到补偿，会增加变压器的负荷，而且线路损耗增加，这部分损耗白白浪费，给用户带来巨大的经济损失。要改变此现状，只能进行无功补偿，提高电网功率因数，降低线路损耗。

某公司年产40 万吨聚氯乙烯项目的配套项目，年产能力为水泥106 万吨、熟料75 万吨。遵循清洁生产和循环经济的原则和要求，充分利用丰富的电石渣、粉煤灰等原材料优势，采用半干法生产工艺，通过“三磨一窑”主体设备进行水泥生产。窑尾配电室是提供回转窑动力的主要配电室，配电室主要负荷为静电除尘器、回转窑直流电机等大量非线性感性负载。

2 水泥回转窑窑尾配电室电容补偿设计及改造前的使用情况

水泥回转窑窑尾配电室变压器铭牌为额定容量：1600kVA，额定电流：（高压侧）92.4（低压侧）2309.4A，短路阻抗：5.99%，主要负荷：回转窑直流电机2 台，ZSN4－355－12，功率420kW；转速1000r／min，直流电压440V，电流1020A，使用ABB DCS800 直流调速器控制；静电除尘器共4 个电场，4 台单相变压器380V／72000V 268A／1A；其他为电机负荷和照明负荷等。原设计窑尾配电室电容补偿容量为500kVAR。目前低压侧已经装设500kVAR 的TSC 补偿，补偿电容器型号及数量：BSMJ 0.48－27－1X9，BSMJ 0.48－30－1X9。

2011年6月，对水泥回转窑窑尾低压配电室低压无功补偿装置进行投运，但在投运过程中发现存在电容器投运后过流，电抗器发热等问题，导致窑尾低压配电室低压无功补偿装置无法投入运行。怀疑为受谐波因素的影响，因此使用谐波检测设备对水泥窑尾低压配电室进行谐波检测。结果如图1及表1所示。

图1 谐波检测结果

分析：窑尾电气室母线上存在较大的2次谐波，电流最高时达369.2A，3 次谐波为106A 左右，4 次谐波89A 左右，5 次谐波139A 左右，7 次谐波59A 左右，谐波严重超标，在现场没有投运电容前，变压器成周期性的振动和发出异常响声。补偿装置投入运行时，谐波电流都会经过电容进行流转，而且在现场还出现电压谐波，有时达到3.4%左右，这也是对电容器寿命有影响的一个因素。导致电容器投运后过流，并且电抗器发热，最终不能投运甚至导致补偿装置损坏烧毁。必须采取谐波治理，否则变压器绕组中有谐波存在，便会增加变压器的负荷，导致变压器过载，长期过载严重的情况会导致变压器烧毁。

3 窑尾无功补偿装置改造的技术方案

改造分为两部分：一是保障无功补偿装置正常进行补偿，必须对电网中的谐波进行治理，选用有源在线滤波装置；二是增加无功补偿装置容量。

3.1 有源在线滤波装置

根据现场谐波情况选用有源在线滤波装置APF（Active Power Filter，简称APF），是采用现代电力电子技术和基于高速DSP 器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT 或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。APF 装置并联在系统和用户设备之间，其主要功能是在电网供电过程中当负载侧产生谐波和无功电流时，保证系统侧没有谐波电流和无功电流，使用户其他关键敏感设备得以在近似不受干扰的电气环境中正常运行，并且不会污染电网。

图2 三相电流谐波总有效值变化曲线

表1 检测结果

如图2所示为三相电流谐波总有效值变化曲线。

因谐波电流A 相237A，B 相331A，C 相235A，故需装设300A 三相三线制APF（APF 的投入需要采集总开关电流和总补偿电流）。

3.2 无功补偿容量增加

现场不投运时功率因数为0.56 左右，如果补偿到0.95，需要补偿无功为1140kVAR 左右。但现场装设的容量为500kVAR，再加装640kVAR 容量后功率因数可以达到0.95 及以上。

补偿装置采用晶闸管作为无触点投切开关，晶闸管型号为CPE－KKG－116A，耐压等级2kV。根据电网电压、电流及无功功率情况，由控制器实时进行动态分析、过零判断，实现快速、无冲击的投入电容器组，从而补偿线路中的无功功率，达到节能降耗的目的。采用过零投切技术，实现无涌流、无冲击、无电弧重燃，快速跟踪系统负荷无功变化，实时动态响应投切。在设定的动态响应范围内，多组补偿一次到位，采用智能无功补偿终端控制，智能化投切方式，实现无人值守。装置还具有过压、欠压、过谐等多种数字保护功能。同时装置具有外部停电时自动退出，送电后自动恢复等功能。

4 窑尾无功补偿装置改造后的效果

2013年7月对窑尾配电室无功补偿装置进行了改造，增加了有源在线滤波装置和对无功补偿装置增容。

4.1 电流滤波前后的测试结果

如图3所示为滤波前电流波形和谐波电流柱状图，图4所示为滤波后谐波电流波形和谐波电流柱状图。

图3 滤波前电流波形图和谐波电流柱状图

图4 滤波后谐波电流波形和谐波电流柱状图

滤波前实测数据如表2表所示，滤波后实测数据如表3所示。

表2 未滤波实测数据

表3 滤波后实测数据

4.2 电压滤波前后的测试结果

如图5、6 所示分别为滤波前后电压波形和电压谐波柱状图。

图5 滤波前电压波形图和谐波电流柱状图（电压畸变率为7.2%）

图6 滤波后电压波形图和谐波电流柱状图（电压畸变率为3%）

4.3 窑尾配电室无功补偿装置改造效果

经过测试对比，有源滤波器满负荷运行，将谐波滤除到国标范围内，目前谐波电流滤波后总畸变率为9.7，根据电能质量公用电网谐波GB-T 14549-1993 中规定，谐波电压含量要求在5%以内，实际测试为3%，因此在国标范围内。由于窑尾电气室变压器短路阻抗百分比为5.99%，该变压器额定容量为1600kVA，则可算出短路容量为26800.67kVA，换算为MVA则为26.8MVA，根据电能质量公用电网谐波GB-T 14549-1993 中规定，基准短路容量为10MVA的不得超过62A，由于该电气室变压器短路容量为26.8MVA，所以计算得知允许的5次谐波电流为62×2.68=166.16A，5次谐波电流未投运前为289.8A，谐波严重超标，投运滤波后5次谐波电流为106A；7次谐波未投运前为67.5A，允许值为44×2.68=117.92A，滤波后7次谐波降至33.4A；11次谐波允许值为28×2.68=75.04A,11次谐波电流较小。由于此处电气室中谐波导致电容器严重发热，投运有源滤波装置后，补偿柜温度恢复正常，功率因数维持在0.95左右。