衛(wèi)學(xué)武 王 曾 胡治國(guó) 艾永樂(lè)

(1.義煤集團(tuán) 義翔鋁業(yè)有限公司，河南 澠池 472400；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

0 引言

義煤集團(tuán)義翔鋁業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱義翔鋁業(yè))是年產(chǎn)30萬(wàn)噸氧化鋁的大型企業(yè)。氧化鋁是由鋁礬土礦生產(chǎn)而來(lái)。從鋁礬土礦出合格的氧化鋁需要經(jīng)過(guò)溶出、沉降、分解、焙燒等幾大生產(chǎn)流程。生產(chǎn)過(guò)程要求對(duì)運(yùn)送物料的各種泵能夠在DCS控制下變速運(yùn)行。因此對(duì)變頻器的要求是既要有負(fù)載特性接近恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，又要求變頻器有足夠大的啟動(dòng)力矩和較高的過(guò)載能力。變頻器的使用必然會(huì)輸出的大量高次諧波，影響功率因數(shù)和降低供電電源效率。為此需要對(duì)義翔鋁業(yè)電源進(jìn)線側(cè)的電能質(zhì)量進(jìn)行考察與評(píng)價(jià)，以便采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策。

1 義翔鋁業(yè)10kV供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了掌握10kV進(jìn)線側(cè)的電能質(zhì)量，采用WT3000電能質(zhì)量分析儀對(duì)10kV進(jìn)線回路在二次側(cè)的計(jì)量回路進(jìn)行24小時(shí)不間斷測(cè)試。測(cè)試方案如圖1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 10kV進(jìn)線電能質(zhì)量測(cè)試方案

1.1 母線諧波電流允許值確定

根據(jù)非基準(zhǔn)短路容量諧波電流的計(jì)算依據(jù)（參考GB/T 14594-93《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》）[1,2]，即按照式（1）進(jìn)行換算。

式（1）中：Sk1——用接入點(diǎn)可能出現(xiàn)的最小運(yùn)行方式時(shí)的短路容量（MVA）；

Sks——電網(wǎng)基準(zhǔn)短路容量(MVA)；

Ih——第h次諧波電流允許值(A);

Ihs——基準(zhǔn)短路容量下，第h次諧波電流允許值(A)。

根據(jù)義翔變電站的10kV側(cè)母線實(shí)際最小短路容量和利用式（1）計(jì)算各次諧波電流的限制值。義翔站10kV側(cè)母線最小短路容量為101MVA，計(jì)算進(jìn)線各次諧波電流允許值如表1所示。

1.2 進(jìn)線諧波測(cè)試結(jié)果

應(yīng)用圖1的測(cè)試方案，對(duì)義翔鋁業(yè)10kV變電站諧波電流進(jìn)行測(cè)試。2～25次諧波電流95%概率測(cè)試值如表2所示。

表2 諧波電流測(cè)試值

對(duì)照表1極限值和表2實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)10kV側(cè)5次諧波電流95%的概率值為35.91，超過(guò)了限制值20.2A，屬于嚴(yán)重超標(biāo)。

功率因數(shù)測(cè)試曲線如圖2所示。有圖2曲線可以發(fā)現(xiàn)，平均功率因數(shù)低于0.85，應(yīng)采取措施，提高功率因數(shù)，以增加供電電源使用效率。

圖2 功率因數(shù)變化曲線

2 治理方案

治理方案在技術(shù)上要具有先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。在補(bǔ)償效果上，實(shí)現(xiàn)精補(bǔ)細(xì)補(bǔ)。原則上，不采用傳統(tǒng)的落后的補(bǔ)償技術(shù)，如分組投切無(wú)功補(bǔ)償。SVC裝置[3]中的無(wú)源濾波支路只能濾除固定次數(shù)的諧波含量，難以滿足濾波要求。SVG靜止無(wú)功發(fā)生器裝置，其功能不僅具有無(wú)功補(bǔ)償，而且具有有源濾波功能。根據(jù)義翔鋁業(yè)變電站特點(diǎn)，SVG具有節(jié)約投資成本，節(jié)約土建費(fèi)用，更重要的是具有很好的治理效果。

SVG靜止無(wú)功發(fā)生器主要由IGBT逆變電路[3,4]、直流側(cè)儲(chǔ)能元件和連接電抗器構(gòu)成?？刂破鞑捎貌煌目刂撇呗苑謩e實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理兩種功能。工作原理如圖3所示。

圖3 SVG工作原理

以三相大功率電壓逆變器為核心，通過(guò)諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，然后補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。驅(qū)動(dòng)IGBT逆變電路產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，該補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波與無(wú)功電流大小相等、方向相反，從而有針對(duì)性地抵消負(fù)荷電流中的諧波電流，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償與補(bǔ)償諧波的目的。SVG主要由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器、連接電抗器構(gòu)成[5,6]，如圖4所示

圖4 SVG與系統(tǒng)連接示意圖

3 治理后效果

按照確定的SVG選擇方案，最終確定了直掛式SVG連接方式。并與2010年8月安裝投入運(yùn)行。SVG投入無(wú)功補(bǔ)償和濾波后，各次諧波電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。功率因數(shù)變化曲線如圖5所示。

表3 投入SVG后測(cè)試值

圖5 投入SVG后功率因數(shù)實(shí)測(cè)曲線

對(duì)照表1允許值（極限）和表2實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)10kV側(cè)5次諧波電流達(dá)到了抑制現(xiàn)在95%的概率值僅有5.86A，有低于限制值20.2A。說(shuō)明SVG裝置的投入運(yùn)行，具有較好的濾波效果。

功率因數(shù)測(cè)試曲線如圖所示。功率因數(shù)均高于0.93，功率因數(shù)達(dá)到了提高。

SVG投入運(yùn)行前后的各次諧波電流95%的概率值比較棒圖如圖6所示。

圖6 諧波電流對(duì)照表

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

義翔鋁業(yè)變壓器容量為6.3MVA，月用電量為130×105kWh，平均功率因數(shù)為0.8。功率因數(shù)由0.84，補(bǔ)償?shù)?.93時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益。基本電費(fèi)按每kVA每年180元，功率因數(shù)為0.85時(shí)，電量電費(fèi)按0.74元/kWh收費(fèi)計(jì)算。功率因數(shù)為0.93時(shí)，電量電費(fèi)按0.6元/kWh收費(fèi)計(jì)算。補(bǔ)償裝置每kVA的投資按60元，資產(chǎn)折舊率為10%，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的有功損耗為其額定容量的3%。計(jì)算過(guò)程如下。

（1）計(jì)算補(bǔ)償容量

補(bǔ)償前 cosφ1=0.85，tanφ1=0.75， 平均有功功率為 P1=350×10000/30/24=4861（kW），無(wú)功功率為 Q1=P1×tanφ1=3645.75（kvar），視在功率S1=P1/cosφ1=4861/0.85=6076.25kVA。經(jīng)補(bǔ)償后，功率因數(shù)為cosφ2=0.93，tanφ2=0.426，視在功率 S2=P1/cosφ2=4861/0.93=5283.7kVA。

（2）補(bǔ)償前義翔鋁業(yè)的年支出費(fèi)用

基本電費(fèi)為 6076.25×180/10000=109.4.4(萬(wàn)元)；

電量電費(fèi)為 130×12×0.72=1125.6（萬(wàn)元）；

總支出電費(fèi)為109.4+1125.6=1235（萬(wàn)元）。

（3）補(bǔ)償后義翔鋁業(yè)年支出費(fèi)用

基本電費(fèi)為 5283.7×180/10000=95.1(萬(wàn)元)；

電量電費(fèi)為 130×12×0.6=936（萬(wàn)元）；

總支出電費(fèi)為95.1+936=1031.1（萬(wàn)元）。

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投資為150萬(wàn)元，則資產(chǎn)折舊費(fèi)為15萬(wàn)元；

補(bǔ)償后每年經(jīng)濟(jì)效益為1235-1031.1-15-936×3%=161.52（萬(wàn)元）。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了SVG的治理方案并實(shí)施于義翔變電站，節(jié)省了無(wú)功補(bǔ)償裝置的投資和濾波裝置占地面積。SVG采用電源模塊進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償后的功率因數(shù)在0.93以上；SVG濾除諧波且不產(chǎn)生諧波放大，還實(shí)現(xiàn)了義翔鋁業(yè)集團(tuán)注入電網(wǎng)的諧波電流達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各次諧波電流按照電網(wǎng)短路容量基準(zhǔn)下低于允許值；保證在正常失諧情況下，系統(tǒng)阻抗變化時(shí)，保證不發(fā)生諧振，有效擬制電壓波動(dòng)及閃變。SVG投入運(yùn)行后能起到改善電能質(zhì)量、保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的目的，運(yùn)行可以做到無(wú)人值守，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可通過(guò)RS485通訊接口上傳到控制室，即全自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。每月因功率因數(shù)提高到0.93以上為企業(yè)節(jié)約費(fèi)用14萬(wàn)元左右，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]任子暉，石瑩，付華科，等.基于小波和FFT的煤礦電網(wǎng)諧波測(cè)量分析[J].煤礦機(jī)械，2010，31（6）：186-188.

[3]羅安.電網(wǎng)治理和無(wú)功功率技術(shù)及設(shè)備[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[4]丁理杰，杜新偉，周惟婧.SVC與STATCOM在大容量輸電通道上的應(yīng)用比較[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（2）：77-82.

[5]周偉鵬，宋弘.三相電力有源濾波器(APF)控制策略的研究[J].電力學(xué)報(bào)，2010，25（6）：447-450.

[6]劉磊，王仲初，胡洋.三相電壓SVG的直接電流控制方法及仿真[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（5）：534-538.