石化电网谐波抑制与无功补偿技术的应用

杨国峰，侯延军，刘宪利

（中国石油吉林石化公司乙烯厂，吉林吉林 132022）

0 引言

描述石化公司某车间采用可控硅整流装置供电的直流传动控制系统，控制触发角引起电流的畸变，产生谐波。采用KWWB-400 系列高压补偿及调压控制装置对无功和电压进行综合调节改造，改造后取得明显的经济效益。

1 现状分析

石化公司某车间35 kV 供电系统由甲乙线两路组成，高压配电系统是2 台一用一备35 kV 主变压器（35 kV/6kV，16 000 kVA），降压变压器分别是6 台6 kV 动力变压器（6 kV/400 V）和8 台6 kV 整流变压器（6 kV/600 V，6 kV/400 V）。低压配室有3 部分：各类辊道、传送链、设备，为辅传动低配室；整流变压器给轧线供电设备为主传动低配室；各种泵类、风机、照明类负载供电设备为MCC 室。

1.1 谐波的产生及其危害

车间的传动设备是16 组ABB 公司DCS600 和2 组DCS800 系列直流转动控制系统，都是使用可控硅式整流装置进行供电。送到整流电路的电压是正弦交流电压，流过的电流已不是正弦交流电流，而是与控制角α 相关的函数，所以控制触发角必然会引起电流的畸变，产生谐波。晶闸管作为非线性原件，在电路中的应用中也会产生谐波。

1.2 无功功率的产生及其影响

其他电气设备运行时会产生大量的无功功率。这就导致了电力设备与电网之间大量的无功功率交换，这将导致输电线路和变压器输送大量无功功率而造成大量的功率损耗，这是不经济的。

1.3 提高功率因数的必要性

车间供电系统滤波补偿装置1 套，分5、7、11 次3 个支路。随着电气设备的不断扩建和滚筒电机变频改造，大量感性负载的使用使得变压器容量不足，长期处于超负荷工作状态，特别是在夏季，变压器工作在60 ℃以上的高温下，加速变压器的老化。

近几年来，由于谐波原因，中小型生产线的供电系统、保护装置和电气设备遭受巨大损失。有功功率因数达不到电力管理部门规定的0.9，影响经济效益的创造，被有关部门罚款。因此，有必要对车间谐波治理和无功补偿技术进行改进。

2 改造方案

2.1 中小型供电网络图（图1）

图1 中小型供电网络

2.2 项目可行性分析

国家规定6 kV 电网月平均功率因数应≥0.95，现在平均功率因数约为0.83，将现有功率因数提高到0.95 以上，需在原有基础上增加电容。由测试结果可知，平均有功功率为9295 kW，功率因数为0.83，要提高到0.95 需增加无功功率3191 kvar。

2.3 方案确定

随着产能提升，对交流异步电机大量进行变频拖动改造，经过对轧线主机设备的扩容改造，尤其是17#、18#主机扩容后车间电能质量明显下降，通过及时对TF 变压器的扩容，已经能够达到车间正常用电的需求。需要在这个基础上进一步来提升电能稳定性，以此来提升变压设备和滤波设备整体使用效率。对6 kV 滤波系统进行整体的集中动态补偿，在车间整个供电网络中，这些中小型降压变压器有8 台6 kV 整流变压器（6 kV/600 V，6 kV/400 V），6 台6 kV 动力变压器（6 kV/400 V）。前者的供电范围为主传动室，服务于轧线设备。由于有功功率与无功功率随时间变化速率快，电压波动巨大，波形畸变，功率因数较低，因此采用静止无功功率补偿器（SVC），其补偿过程是动态的，可以根据系统无功功率的需求或电压变化自动跟踪补偿；后者供电范围为辅传动和MCC 室，控制辊道电机和照明、泵类及风机负载。由于负载冲击小，采用性价比较高静态无功补偿技术（并联电容器）即可满足要求。改造的技术核心是谐波抑制和无功补偿。

改造的主体电气设备为高压无功功率自动滤波补偿装置，主要对系统中5 次、7 次谐波进行治理，改造方案采用KWWB-400 系列高压补偿及调压控制装置对无功和电压进行综合调节，辅以JHA651 数字式电容器保护装置实施全面的保护。

3 改造措施

3.1 滤波补偿装置工作的理论基础

工频状态下滤波器的阻抗为式（1）：

基波电流为式（2）：

安装容量为式（3）：

在工频状况下，滤波器阻抗呈容性，可以提供超前无功功率，补偿电网中的感性无功。

在测试的时候相继投入5、7、11 次支路，经过测得5 次支路所发射的基波是870 kvar，7 次支路所发射的基波是870 kvar，11 次支路所发射的基波是1929 kvar，这3 个支路总共发射的基波是3669 kvar。依据现场资料，5 次电容值为94 μF，电抗值为4.5 mH，7 次电容值为87 μF，电抗值为2.2 mH，11 次电容值为182 μF，电抗值为0.5 mH，由式（1）、（2）、（3）可推算出5次安装容量约为1500 kvar，7 次安装容量约为1500 kvar，11 次安装容量约为3000 kvar。

3.2 自动滤波补偿装置工作过程

静止性无功功率补偿器SVC 的核心是晶闸管控制电抗器（TCR），依靠调节晶闸管的触发延迟角实现感性无功的快速、平滑调节。单独的晶闸管可控电抗器只能吸收感性无功功率，功能单一，因而常与并联电容器配合使用组成FC+TCR 型SVC 系统。工作原理如图2 所示。

图2 静止性无功功率补偿器SVC 工作原理

QC为并联电容器组发出的超前无功功率，QL为补偿电抗器吸收的无功功率，QF为负荷侧所需要的无功功率，QS为系统所提供的无功功率，QLC为TCR调谐系统输出的无功功率。当负载变化滞后于QF时，连续控制滞后无功功率QL，引起（QL-QC）变化，使系统供给的无功功率QS=QF+QL-QC为接近常数，达到限制电压波动的目的。

3.3 改造的措施

改造的方案是在原设备基础上增加设备，在3 组电抗器上增加适当的阻尼，来实现消除谐波，同时提升功率因数至0.9 效果。将现有功率因数提高到0.95 以上，需在原有基础上增加电容。但是，由于现有电容室场地有限，且原5 次滤波器经长期运行后谐振频率有所偏移，不能满足需要，因此应对原有5 次及7 次滤波器进行更换。现有5、7 次滤波器停用后，减小基波无功功率1740 kvar，则改造后的5、7 次滤波器应发出无功功率4931 kvar。5 次和7 次滤波系统整体更换所需设备见表1。

表1 滤波系统改造所需设备

改造后能5 次谐波发出基波无功功率2551 kvar，7 次谐波能发出基波无功功率2500 kvar。

另外，原控制保护屏经过几年运行后性能有所下降，经测试柜内电流互感器电流值与实际值相差很大，应该更换。新研制的控制保护装置在性能、可靠性、人机界面上均有很大程度的提高，因此用新的控制保护屏对滤波支路进行控制保护能达到更好的效果。

3.4 KWWB-400 系列高压补偿和调压控制的装置

保护控制系统使用中国电力科学院研发的高压滤波回路式自动控制器，对这3 条回路达到自动投切的控制。提升有源滤波的动态无功补偿，以及增加和无源滤波技术相结合的一种实时谐波滤除及动态无功自动补偿的装置，高压无功功率自动滤波补偿装置由真空接触器、补偿电容器、空心电抗器、隔离接地开关以及放电线圈等适当组成，可吸收系统中5 次谐波，装置同时使用KWWB-400 系列高压补偿及调压控制装置对无功和电压进行综合调节。

3.5 JHA651 数字式电容器保护装置实施全面的保护

二段式过流保护；零序电流保护，跳闸或告警；过电、欠电压保护；故障显示和记忆功能；不平衡电流、电压保护；装置中具有光电隔离式高速RS485 通信接口的通信功能，能够通过RS485通信网络进行数据上传。

4 实施效果

改造后，电能质量明显提高。稳定系统电压，降低负荷电压降，抑制电压闪变，提高供电质量；补偿系统无功功率，保证处理后用户功率因数提高到0.95 以上，节约电费；滤除部分系统谐波，减少谐波对供电系统、保护装置和电气设备的危害，系统噪声明显降低。

4.1 实现的经济效益

经过滤波系统装置改造后，电气功率因数能够提升至0.95。这就避免因功率因数达不到要求而被电力部门罚款，同时也节省电费支出费用。

电力部门7 个月罚款35 万多元，每月高至5 万多元。进行改造后每年就能够降低因功率因数不达标而多支出的电费50多万元。综合计算得到，每年预计能够得到经济效益60 多万元。因为功率因数提升，每年能够节省电费300 多万元。

4.2 改造效果

利用PSCAD 仿真软件，检测系统功率因数变化和5 次谐波滤波及补偿效果明显改善。

5 后续措施

通过对电流、电压的检测，进一步完善系统性能，我们对整个系统加了许多监测点，充分利用动态补偿基础装置并加以扩展。如从监测点引一信号至主电室，并设某一定值、当电压急剧变化时引起蜂鸣器报报警装置启动。

为了加强PSCAD 仿真软件的研究和应用，可以利用PSCAD 软件发现系统中断路器操作过电压、故障和雷击等。该方法可以精确地模拟含有复杂非线性元件（如直流输电设备）的大型电力系统。其输入输出界面非常直观方便。它还可用于电力系统的时域或频域计算与仿真，电力电子领域的电力系统谐波分析与仿真计算。