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關(guān)于有源電力濾波器在地鐵站低壓配電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

閱讀:645        發(fā)布時(shí)間:2022-10-12

 

摘要:作為國家提出的綠色電網(wǎng)、節(jié)能降耗已成為現(xiàn)代化企業(yè)努力的目標(biāo),,也是企業(yè)急需解決的問題,。作為地鐵車站這類市政公共交通建筑的重點(diǎn)系統(tǒng)——配電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)綠色電網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是解決電網(wǎng)中存在的各種電能問題,,主要是涉及到諧波與無功問題兩個(gè)方面,,就某條地鐵線目前的電力系統(tǒng)狀態(tài)而言,其在低壓配電系統(tǒng)中裝設(shè)有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理,,但APF實(shí)際未投入,。系統(tǒng)中的諧波問題仍然存在,因此需對該站點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的測試,,同時(shí)為該線路的有源電力濾波器APF進(jìn)行必要性評估,,對后續(xù)新開線路的有源濾波器設(shè)置提出參考意見。
關(guān)鍵詞:地鐵負(fù)載,;電能質(zhì)量;諧波治理,;無功補(bǔ)償
 
0,、地鐵電能質(zhì)量分析
       目前城市軌道交通普遍存在的主要電能質(zhì)量問題就是功率因數(shù)、電壓波動與閃變及諧波問題等,。當(dāng)前35KV和0.4KV大量使用電纜,,夜晚期間一般所有的負(fù)荷基本停運(yùn),由于該用電負(fù)載多數(shù)為感性負(fù)荷,,此時(shí)感性無功基本接近為零,,產(chǎn)生的容性無功甚至可以達(dá)到幾Mkvar。若無功功率倒送進(jìn)電力系統(tǒng),,會導(dǎo)致線路電壓升高,,同時(shí)也會導(dǎo)致功率因數(shù)降低。地鐵中電力機(jī)車屬于典型的非線性負(fù)荷,,由于運(yùn)行過程中啟停頻繁,,短時(shí)間內(nèi)會產(chǎn)生沖擊性負(fù)載電流,此類沖擊會造成電壓的波動與閃變,。
 
1,、主要研究內(nèi)容
       以廣東某地鐵站為例,由于該地鐵站高壓側(cè)110kV和35kV無功及諧波方面已經(jīng)治理,本篇文章主要突出治理0.4KV低壓設(shè)備的無功及諧波等相關(guān)問題,。線路阻抗隨著頻率的升高而增加,,諧波電流使線路的附加損耗增加,而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線路的損耗,,所以諧波是導(dǎo)致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個(gè)重要因素,。線路的分布電感和對地電容與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路,在一定的參數(shù)條件下,,會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振,,而且所產(chǎn)生的諧振過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害性較大。(此情況一般出現(xiàn)在高壓環(huán)境下,,在0.4KV低壓環(huán)境中由于線路和變壓器的分布電容過小,,一般忽略不計(jì))在適當(dāng)?shù)臈l件下還會形成諧波放大,而諧波電壓,、電流放大會引起繼電保護(hù)裝置誤動甚至損壞,,造成電力火災(zāi)。同時(shí)諧波電流對線纜的肌膚效應(yīng)會造成線纜發(fā)熱過量,,絕緣強(qiáng)度降低,,造成電纜損耗增加,壽命縮短,,額定容量降低,。同時(shí)諧波電流還會導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行威脅導(dǎo)致不安全因素的出現(xiàn),嚴(yán)重時(shí)會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)行[3],。故本公司組織針對地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進(jìn)行了測試,。同時(shí)對地鐵系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明、空調(diào),、泵機(jī)類,、電梯、信號電源,、UPS等設(shè)備進(jìn)行開啟有源濾波APF和不開啟有源APF情況下進(jìn)行測試,,對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,選出合適的型號的治理設(shè)備,,同時(shí)計(jì)算該設(shè)備選擇的節(jié)能性,。
 
2、測試數(shù)據(jù)及分析
       (1)測試說明
       本次測試主要針對廣東某地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進(jìn)行了測試,。系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明,、空調(diào)、泵機(jī)類,、電梯,、信號電源、UPS等設(shè)備,開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊,,和其它設(shè)備在運(yùn)行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染,。該系統(tǒng)中各變壓器的負(fù)荷性質(zhì)決定了在其運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生諧波電流并匯入配電網(wǎng)中對配電系統(tǒng)造成一定的諧波污染問題,系統(tǒng)中存在的節(jié)能照明在運(yùn)行過程中產(chǎn)生3次諧波電流,,3次諧波電流為零序諧波電流,,三相矢量角度一致,存在N線上諧波電流的疊加情況,,N相電流是相線的3倍,,本次測試主要是針對這些問題進(jìn)行的。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),,諧波電流會導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行威脅同時(shí)還會造成電纜的額外發(fā)熱并加速電纜的絕緣老化導(dǎo)致不安全因素的出現(xiàn),,嚴(yán)重時(shí)會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進(jìn)行。
       (2)測試方法
       在現(xiàn)場工作人員的配合下對共計(jì)2臺變壓器(1#變壓器和2#變壓器)進(jìn)行了詳細(xì)的電能質(zhì)量測試,,本次方案的目標(biāo)是*消除系統(tǒng)中諧波電流污染的問題尤其是3N次諧波電流疊加導(dǎo)致N線電流變大問題,,同時(shí)N線電流變大容易導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生,因此在整個(gè)用電系統(tǒng)中對于電流數(shù)據(jù)的采集較為重要,。在方案制定時(shí)將會根據(jù)測試值對現(xiàn)場治理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型,,保證系統(tǒng)中諧波電流的濾除。測試時(shí)每個(gè)測試點(diǎn)均進(jìn)行了24小時(shí)的監(jiān)測能夠明確整個(gè)周期內(nèi)的典型電能質(zhì)量狀況,。
       (3)測試數(shù)據(jù)及分析
       1)1#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)
1#測試數(shù)據(jù)表
       通過上述測試數(shù)據(jù)分析得出,,電壓畸變率波動在1.2%~1.4%之間,電流畸變率為10%~15%左右,,系統(tǒng)基波電流值約為500A,,電流畸變頻譜表明其中3次、5次,、7次和11次諧波電流為主,總的諧波電流值約為125A,,N線電流主要為3次諧波電流的疊加導(dǎo)致,。需要選擇的輸出治理電流每相至少在125A以上,N線輸出能力為相線的3倍,,可解決中線諧波電流疊加的問題,。該變壓器容量為1250kVA,現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設(shè)計(jì)中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求,,因此在濾波的同時(shí)需要考慮留有一定容量進(jìn)行無功補(bǔ)償,,一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。
       2)2#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)
2#測試數(shù)據(jù)表
       通過上述測試數(shù)據(jù)分析出,,電壓畸變率波動在1.4%~1.5%之間,,電流畸變率為10%~20%左右,系統(tǒng)基波電流值約為500A,電流畸變頻譜表明其中3次,、5次,、7次和11次諧波電流為主,總的諧波電流值約為100A,,N線電流主要為3次諧波電流的疊加導(dǎo)致,。需要選擇的輸出治理電流每相至少在100A以上,N線輸出能力為相線的3倍,,可解決中線諧波電流疊加的問題,。該變壓器為1250kVA的變壓器,現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設(shè)計(jì)中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求,,因此需要考慮留有一定容量進(jìn)行無功補(bǔ)償,,一般按照變壓器容量的30%進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。
 
3,、三次諧波問題相應(yīng)闡述
       (1)三次諧波的概念及不良影響
       對周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解,,可得到頻率為基波整數(shù)倍的電量,這些電分量被統(tǒng)稱為諧波,。其中,,頻率為基波三倍的電量被稱為三次諧波。在社會的高速發(fā)展下,,民眾與社會對于電能的需求量與日俱增,,對電能質(zhì)量的要求也日漸提高。隨著種類豐富的電子設(shè)備在民眾生活中的廣泛普及,,其中具有非線性負(fù)荷特性的電子設(shè)備也使電力系統(tǒng)中的電壓,、電流狀態(tài)出現(xiàn)了一些改變。在利用傅里葉級數(shù)分解分析電壓,、電流波形時(shí),,便會發(fā)現(xiàn) 50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波,,即頻率50Hz的三倍的“三次諧波",。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,非線性負(fù)載的數(shù)量占比越來越多,,其在工作時(shí)三次諧波占比較大,。這種不良現(xiàn)象除了會增加整體電力系統(tǒng)的耗損,更會致使中性線線負(fù)載變大,,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)整體的安全性以及穩(wěn)定性,,甚至?xí)l(fā)一系列的安全事故。另外三次諧波使電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)熱的狀況,,嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故,;對電子元器件日常的使用和運(yùn)行產(chǎn)生不良影響,,致使其產(chǎn)生錯誤操作;嚴(yán)重縮短電力設(shè)施使用壽命,。三次諧波不僅僅會產(chǎn)生諸多危害,,更會對電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性以及安全性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響,進(jìn)而影響民眾的日常生產(chǎn),、生活有關(guān)活動,、行為以及社會的和諧發(fā)展。所以,,有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采取合理措施,,減少乃至避免三次諧波的危害。
       (2)對三次諧波治理的合理建議
       對于單相整流電路非線性負(fù)荷而言,,傳統(tǒng)的無源濾波器并不適用,。這主要是由于其濾波效果較差,同時(shí)還會生成較大容性無功,,而這部分容性無功既是非線性負(fù)荷不會用到的,,也是整體電網(wǎng)所不需要的。因此,,有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)采用有源濾波器進(jìn)行治理,。在單獨(dú)使用此類濾波器對線路中諧波電流進(jìn)行檢測的時(shí)候,能夠生成將其抵消的補(bǔ)償類電流,。然而從整體效果上來看,,此類濾波器只能夠確保安裝部位上游的諧波電流變小,卻不能對下游線路產(chǎn)生效果,。所以,,當(dāng)對上述特征加以了解后,便能夠針對性地處理三次諧波污染,,即將有源的濾波器安裝到存在三次諧波的下游線路中,。除此之外,經(jīng)過多年實(shí)踐可知,,當(dāng)濾波器距離三次諧波電流源頭越近,,其防治的效果越好。與此同時(shí),,若三次諧波的過濾器為并聯(lián)形式,也能夠降低三次諧波的電壓,,所以,,將三次諧波的濾波器并聯(lián)于非線性的負(fù)荷比較大供電點(diǎn)處時(shí),能夠?qū)⑷沃C波影響的危害控制在較低,。
 
4,、諧波治理整體解決方案
       (1)有源電力濾波器的工作原理
       有源電力濾波器的工作原理如圖1所示,,主要由負(fù)載電流分離、指令電流調(diào)節(jié),、輸出電流控制,、驅(qū)動電路以及主電路組成。它采用電流型變流器,,經(jīng)連接電抗器接入系統(tǒng),,通過調(diào)整交流側(cè)逆變輸出電壓的瞬時(shí)幅值與相位,或直接控制交流側(cè)輸出電流,,使裝置發(fā)出或吸收寬頻譜無功功率,。基于電力電子的有源電力濾波器裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中,,相當(dāng)于一個(gè)可控的無功及諧波電流源,,其無功及諧波電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化,自動補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功及諧波,,并且可以實(shí)現(xiàn)從感性無功到容性無功的全范圍補(bǔ)償,,同時(shí)對電網(wǎng)電壓進(jìn)行動態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
圖1 有源電力濾波器工作原理圖
       (2)有源電力濾波器的工作原理
       有源電力濾波器采用模塊化插拔式設(shè)計(jì),,集三相不平衡治理,、諧波抑制和無功補(bǔ)償功能為一體,方便運(yùn)維人員安裝拆卸,,同時(shí)也方便將來用電負(fù)荷發(fā)生變化擴(kuò)展補(bǔ)償容量,。
       該有源濾波裝置主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:
       1)補(bǔ)償方式靈活:既可補(bǔ)諧波,又可兼補(bǔ)無功,,可對2-51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償,,同時(shí)可治理三相不平衡問題;
       2)線性補(bǔ)償,,全響應(yīng)時(shí)間≤5ms,;
       3)具有人性化的人機(jī)交互界面,可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量信息,,操作簡單,,可以遠(yuǎn)控,也可以本控,;
       4)采用DSP高速檢測和運(yùn)算的數(shù)字控制系統(tǒng)和進(jìn)口IGBT,,功率密度大,可靠性高,;
       5)監(jiān)控以及顯示具備遠(yuǎn)程通訊接口,,可以通過PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控;
       6)標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì),,縮短交付周期,,同時(shí)提高了使用的可靠性和可維護(hù)性,。
       有源電力濾波器可采用壁掛和整柜方式安裝,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)集中和就地治理,,如圖2所示的產(chǎn)品,,給安裝、 維護(hù)及日后升級帶來了便捷,,提高了整體的安裝效率,。
  
圖2 有源電力濾波器產(chǎn)品示意圖
 
5、案例分析
       (1)項(xiàng)目背景
       廣東某地鐵改造項(xiàng)目,,系統(tǒng)中負(fù)載主要為照明,、空調(diào)、泵機(jī)類,、電梯,、信號電源、UPS等設(shè)備,,開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊,,和其它設(shè)備在運(yùn)行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。其諧波主要包括3,、5,、7、9次,;不進(jìn)行合理治理,,將對其他電氣設(shè)備產(chǎn)生危害,如:大量的3次諧波造成中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi),;大量諧波造成變壓器局部嚴(yán)重過熱,;繼電保護(hù)發(fā)生誤動作等。
       (2)治理方案
       根據(jù)以往測量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行諧波分析與估算,,諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生,,該項(xiàng)目有1#、2#兩個(gè)配電站,,1#配電站有2臺800kVA的變壓器,,2#配電站有2臺1000KVA的變壓器,分別采用集中治理方案,,在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器,,由于安裝空間有限,選擇我司壁掛式有源電力濾波器進(jìn)行嵌入式安裝,,1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL,,2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機(jī)使用,保障了整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
       (3)治理效果
圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率
圖4 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率
       治理前電流波形發(fā)生畸變,,三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%,、12.5%,;在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波,各次諧波得到抑制,,電流畸變率明顯降低,,三相電流畸變率降至4.0%、4.1%,、4.4%,。
       (4)安裝現(xiàn)場
6、結(jié)論
       本文主要地鐵負(fù)載電能質(zhì)量治理方案的相關(guān)內(nèi)容,,通過對地鐵電能質(zhì)量方面出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,,并結(jié)合電能質(zhì)量相應(yīng)測量數(shù)據(jù),給出相應(yīng)的治理方案,。最后結(jié)合廣東某地鐵電能質(zhì)量改造項(xiàng)目案例,,并通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用證明了濾波器設(shè)備的實(shí)用性,驗(yàn)證了有源濾波器設(shè)備可快速地治理無功及諧波電流,,并且解決地鐵用電負(fù)荷增長帶來的電能質(zhì)量惡化問題,,對地鐵電子設(shè)備、儀器儀表的計(jì)量和整體供電能力,、安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義,。
 
參考文獻(xiàn)
[1]張美.地鐵低壓諧波測試及有源濾波器應(yīng)用分析[M]. 機(jī)械化工2019年5月.
[2]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.6
[3]安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理選型手冊.2019.11版

 

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