单晶硅棒行业电能质量谐波治理技术方案

潘艳阳

(隆基绿能科技股份有限公司工程管理部 陕西 西安 710000)

一、单晶硅电能质量谐波计算

(一)电能质量谐波标准

GB/T14549-1993标准中规定：380V电网中各奇次谐波电压含有率限值为4%，各偶次谐波电压含有率限值为2%。总的谐波电压畸变率(THDu)允许值为5%，以上均指相电压。同时也规定了注入电网公共连接点的谐波电流允许值。

(二)单晶硅项目用电概况

大部分单晶硅项目现场配电变压器单台容量为2500kVA，Dyn11接法，二次侧输出电压为400V。每台变压器接主要负载为单晶炉；动力用电设备主要有：机加用切断机、切方机、抛光机、冷水机组、新风机组、空压机组、LED照明等；其中有部分电能质量污染源设备。

(三)谐波计算方式

根据测试数据中的电流值(有效值)和电流畸变率(THDi)来计算谐波电流值。

计算公式分析如下：

且⟹

通分⟹

即，通过仪器测出实时系统中的电流有效值和电流畸变率(THDi)，就可算出配电系统中实时的谐波电流值。

二、单晶硅行业典型的非线性负载电能谐波分析

点焊机：点焊机一般是先将400V电压转变成交流330V或者取单相220V交流电压再通过整流来实现工作需要的直流电压。自动点焊在工作的时候电流变化很大；通过测量过不同厂家的点焊机谐波，点焊机产生的谐波主要为5、7、11、13次谐波，5次谐波最大能达到45%左右。

照明灯具：由于单晶硅制造厂内部使用大量的LED节能灯具，因此会产生大量的谐波电流，LED灯接成三相四线负载时，中线上就会流过很大的三次谐波电流。

单晶炉：单晶炉是一种在惰性气体环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉是非线性的负载，在生产过程中，势必会产生谐波电流而冲击电网，影响整个用电系统，导致用电环境不稳定，单晶炉谐波次数主要为5、7、11、13次谐波。

线切机：通过测量数据分析，如果线切机生产厂家在机器设计原理上没有采取滤波措施的话，一般谐波含量大概能达到15%左右。谐波分布主要在5、7、11次。

谐波的存在，对单晶硅的生产会产生很大的影响：加大电机的损耗；影响线切机刀具的精确度，从而导致产品次品率上升；增加线路损耗；增加变压器和线路的铜损以及中线电流；降低供电质量；减小变压器的带载能力等等。

三、关于单晶硅生产线无功补偿及谐波问题的治理方案

(一)单晶硅电能谐波污染情况

单晶炉是一种在惰性气体环境中，用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化，用直拉法生长无错位单晶的设备。单晶炉应用非常广泛，单晶硅、单晶锗、单晶砷化镓等众多产品是电子工业及其他高科技行业极其重要的原材料。随着我国经济的高速成长，单晶炉的应用将越来越普遍。

作为工业炉的重要分支之一，单晶炉消耗大量能源，高昂的电费支出，谐波污染造成的产品品质下降已经成为众多单晶炉用户的心头之痛。面对国内外数量众多的单晶炉用户环保节能的迫切需求，不少厂家做了很多努力和尝试。有的试图用系统保护类瞬变、浪涌、高次谐波抑制产品对单晶炉系统进行技术改造，但实践应用表明：单晶炉谐波主要为5、7、11次谐波(其中5次谐波最大含有量达到45%，7次20%，11次11%，总畸变率达到49.43%，而功率因数最低只有0.4570，最高功率因数也只有0.6464)。因此这种设备谐波治理不可忽略，节能效果不佳，更为严重的是谐波能量超出用电设备承受范围，长期使用容易损毁，事故频发，影响企业正常生产，造成资源浪费，让用户非常烦恼。

(二)目前补偿滤波市场产品概述

市场目前产品涵盖有源电力滤波器(AG APF系列)、动态补偿装置(AGBZ系列)、静止无功发生器(AG SVG系列)、谐波保护器(AG HPF)、混合型无功补偿控制器(AGJK-32系列)、晶闸管动态开关(AGDK系列)、机电一体化同步开关(AGTK系列)、消谐滤波电抗器(AGLK系列)、耐高温防爆电力电容器(AGBC系列)、智能一体式电容器(AGCZ-G系列)、智能滤波补偿模组(AGCZ-GLM系列)、电能质量综合治理装置(AG UBC系列)。

(三)电能谐波治理方案

针对单晶硅行业设备设计了三套解决方案能有效解决谐波污染问题：

方案一：AGBZ-GDL系列动态无功补偿装置+AG APF系列有源滤波装置；

方案二：AG SVG系列静止无功发生器+AG APF系列有源滤波装置；

方案三：AGBF系列混合有源动态滤波补偿装置(动态补偿+APF装在一套柜子内)

电能谐波治理方案主要特点：

1.针对用户系统专门设计制造，消除特性谐波如：5次、7次、11次、13次等，治理滤波效果突出。

2.既能治理谐波又能补偿无功。

3.设备投入后用电质量可明显改善，改善冲击负载引起的电流冲击，减少电压波动和抑制电压闪变，提高电压稳定性，改善电压质量。功率因数可提高到0.95以上，使用户线损降低，可提高配电变压器的承载效率，经济效益明显。

4.有效的降低谐波电流，增加变压器的有效容量，增加相应的带载能力，减少扩容所需的投资。

5.有效的降低变压器的损耗，提高变压器的安全运行系数，起到节能降耗的目的。

(四)节能效益

对于电网而言，谐波是一种污染，它会影响和损坏周边的设备。谐波会加大电力元件如变压器的附加损耗，导致设备过热。谐波的存在还会导致补偿电容器与配电系统发生谐振，放大谐波，导致电容器损害甚至爆炸。谐波会导致继电保护装置误动作，引起测量仪表计量不准确。

使用谐波治理方案后，低压配电系统将会得到以下好处：

1.减少谐波含量，避免电容器组和系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁，保证无功补偿柜的正常运行。

2.减小流过配电线路的电流有效值，提高功率因数，消除流过配电线路的谐波。从而减小线路损耗，降低配电线缆的温升，提高线路带载能力。

3.减少控制设备和继电保护装置误动作，提高供电的安全和可靠性。

4.补偿三相电流不平衡，减少变压器和线路的铜损以及中线电流，提高供电质量。

5.减小变压器的附加损耗，降低噪声，提升变压器的带载能力。

6.有源滤波器滤除配电系统的谐波后，还可以节省5%～15%电费。

综上，在供配电系统严重的谐波污染得以完美治理后，配电系统的整体运行效率将会得到提成，系统的安全稳定运行也可以得到有力的保障，因此谐波治理对系统的效益十分巨大。能保证供电系统无功补偿长时间正常运行，功率因数达标，又保证有源滤波APF装置治理谐波，增加无功补偿使用寿命，既能治理谐波又能补偿无功，可彻底解决谐波污染及提高功率因素，经济效益明显，一般可在3～5个月左右收回投资成本。