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劉建春1. 常帥2. 趙軍3. 洪文瓞 4.洪秋玉5.
(安科瑞電氣股份有限公司,上海 201801)
摘要:本文主要以某大型數(shù)據(jù)諧波治理為例,闡述數(shù)據(jù)諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。
關(guān)鍵詞:智慧能源;UPS;電壓諧波;諧波放大;APF
1、引言
在實(shí)際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn),由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計(jì)不良和供電不足等原因造成末端電壓過低,前端電壓過高,這對電壓要求較高的設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時(shí)間內(nèi)做出解決,比較現(xiàn)實(shí)的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入個(gè)二次供電設(shè)備,實(shí)現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS,它在我的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍,廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)、銀行清算、證券交易、家航和鐵路的控制、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備,正常工作的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生諧波電流,由于UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異,本文就以大型數(shù)據(jù)的UPS為例,合理分析諧波電流頻次,采用分布式治理的方法,有效抑制諧波電流放大,化電能質(zhì)量,提高設(shè)備用電效率。
2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響
2.1 諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響
般來說理想的交流電源是純正弦波形,純正弦的交流電壓加在線性負(fù)載兩端,會(huì)產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負(fù)載兩端,會(huì)產(chǎn)生失真的交流電流,同時(shí)導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負(fù)載或非線性負(fù)載兩端,都會(huì)產(chǎn)生失真的交流電流。
圖 1 某數(shù)據(jù)配電系統(tǒng)測量示意圖(無功柜未投入)
如圖 1所示,1#主變和2#主變共用段10KV母線,1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行,主要負(fù)載全是線性負(fù)載,2#主變下UPS2投入運(yùn)行,主要負(fù)載全是非線性負(fù)載,兩邊電容柜沒有投入運(yùn)行,聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時(shí),測量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí),測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓;同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí),測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。
2.2 諧波電壓對濾波裝置的影響
有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型,并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補(bǔ)償負(fù)載的電流,通過計(jì)算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分,有源電力濾波器被動(dòng)輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流,達(dá)到諧波補(bǔ)償目的。
圖2 某數(shù)據(jù)配電系統(tǒng)測量示意圖(增加APF)
如圖2所示,1#主變和2#主變共用段10KV母線,1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行,主要負(fù)載全是線性負(fù)載,2#主變下UPS2投入運(yùn)行,主要負(fù)載全是非線性負(fù)載,聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時(shí),測量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí),測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓,開啟APF2補(bǔ)償后,測量點(diǎn)M2處諧波電壓和諧波電流有效值減小;同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí),測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在,單獨(dú)開啟APF1,測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化,單獨(dú)開啟APF2,測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時(shí)減小。
上述測試中有種情況比較特殊,在同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變,單獨(dú)開啟APF1進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),雖然濾波器有諧波電流輸出,但是測試點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小,測量1#主變下線性負(fù)載上的電流諧波有效值,有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負(fù)載引起諧波電流失真,導(dǎo)致10KV段電壓失真,失真的電壓加在1#主變的線性負(fù)載兩端,使M1點(diǎn)出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補(bǔ)償,但M1點(diǎn)的諧波電流和諧波電壓不會(huì)改變,相對于APF1并線點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變,負(fù)載側(cè)諧波電流有效值增大。因此,并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波,相反,會(huì)使負(fù)載側(cè)諧波電流變的更大。
3、諧波分布式治理
工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的,非線性負(fù)荷引起的諧波、背景諧波、補(bǔ)償裝置諧波放大等等現(xiàn)象,都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。
圖3 中銀行某數(shù)據(jù)配電系統(tǒng)圖
如圖3所示,是中銀行某數(shù)據(jù)的配電次圖,正常運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài),T1變壓器和T2變壓器下負(fù)載全是12脈沖整流的UPS(T1:SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2;T2:SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2),兩臺(tái)變壓器所帶負(fù)載基本致,前期APF1和APF2沒有投入運(yùn)行,測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流,如圖4和圖5所示:
圖4補(bǔ)償前諧波電壓波形及畸變率
圖5 補(bǔ)償前諧波電流波形及有效值
從上圖中可以看出,12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主,但實(shí)際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式,上下整流橋調(diào)相角度不致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有*抵消,這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時(shí)諧波被放大,這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。
為了濾除現(xiàn)場諧波電流,主動(dòng)斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路,增大APF濾波容量,考慮使用APF補(bǔ)償U(kuò)PS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后,同時(shí)運(yùn)行APF1和APF2,測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流,如圖6和圖7所示:
圖6 補(bǔ)償后諧波電壓電流波形
圖7 補(bǔ)償后諧波電壓電流有效值
以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對現(xiàn)場系統(tǒng)和負(fù)荷特性的了解,分析負(fù)荷故障原因,避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振,抑制電流諧波放大;采用分布式補(bǔ)償方案,避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變,從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流,解決了現(xiàn)場諧波對公用電網(wǎng)的污染問題。
4、結(jié)束語
本文分析了數(shù)據(jù)主要負(fù)荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項(xiàng)目中如何判斷諧波引起的故障,并提出解決方案,抑制諧波電流的放大,采用合理的補(bǔ)償策略,zui終達(dá)到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論:
1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的;
2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時(shí),輸入端11次諧波濾波器會(huì)與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產(chǎn)生諧振,放大5次、7次諧波電流;
3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓(背景諧波)引起的諧波電流濾波場合;
4.電能質(zhì)量化工程項(xiàng)目中,了解現(xiàn)場負(fù)荷特性、分析故障根本原因,是解決工程項(xiàng)目諧波治理的必要條件。
文章來源:《電氣時(shí)代》2017年12期。
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作者簡介:
劉建春(1985-),男,甘肅天水人,電氣工程師,從事電能質(zhì)量類產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及應(yīng)用。