电能质量治理方案

供配电系统电能质量

治

理

方

案

1项目背景

武钢供配电系统是一个复杂的配电网络，大功率、冲击性、不对称性和非线性负荷在武钢的大量使用、武钢配电网络结构的复杂性及大量的新改建产线，以及环境保护和生产成本的制约等诸多因素，使武钢配电系统越来越运行在接近临界条件下，大大增加了运行条件的不可预知性，配电系统存在的电能质量问题越来越成为制约武钢安全生产的重要因素。近年来武钢事业部的生产秩序接连受到电能质量问题的困扰。另外随着流程性企业规模的不断扩大，新项目用电设备对原有供配电网络的冲击均对供配电系统提出更高的要求，因此开展系统电能质量测试评估是非常有必要的。

通过上海宝钢安大电能质量有限公司在2011年对武钢供配电系统的电能质量测试及评估，我们获得了武钢供配电系统内部电能质量的详细情况，并据此提出了相应的解决方案。2存在问题

影响武钢供配电系统安全可靠、优质经济运行的电能质量问题主要有以下几个方面：2.1 变压器经济运行问题

通过对武钢厂各供电变压器平均负载率的统计分析可以看出，在测试时间内，部分配电变压器的负载率较低，配电变压器的总容量偏大，配电变压器有功损耗和无功损耗增加，使变压器的运行效率降低，造成电能的浪费。

2.2 电压偏差

通过对测试数据的分析，二冷轧10kV段母线，二总降2#变35kV、3#变35kV，高线变10kV I段、高线变10kV II段，冷轧变1#、2#10kV段，三炼钢3#、4#35kV，1#变10kV，四炼钢3#变35kV段的电压偏差均超过国标《电能质量供电电压偏差》（GB12325-2008）规定的限值。

2.3 电压波动与闪变

通过对测试数据的分析，武钢220kV和110kV段电压闪变基本满足国标《电能质量电压波动和闪变》（GB12326-2008）规定的限值；仅冶金变110kV II段电压闪变超过规定的限值。下级变电站中，在本次测试时间段内，仅高线变10kV II段长时闪变略超过国标《电能质量电压波动和闪变》（GB12326-2008）规定的限值。二热轧、二总降、三炼钢、四炼钢35kV系统由于系统所带负荷主要为轧机或电炉，系统电压波动偏高。

2.4谐波

通过对测试数据的分析，武钢厂与电力公司PCC点的各次主导谐波电流和各次主导谐波电压基本都在国标《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1995）规定的限值范围之内。

对于武钢内部的供配电系统来说，4个220kV总降110kV进线主导谐波电流值均均满足《电磁兼容限值中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》（IEC61000-3-6）规定的限值。其它测试线路，谐波电流值较大的有：

二冷轧10kV VIII段5，7次谐波电流；

二热轧1#变35kV进线侧2、3、4、5次谐波电流，3#变35kV进线侧3、4、5次谐波电流；二总降2#变35kV进线侧2、3、5次谐波电流，3#变35kV进线侧2、3次谐波电流；

冷轧变1#10kV进线5、11次谐波电流，2#变10V进线侧5、11次谐波电流值较大；

三硅钢10kV I段进线5次谐波电流，10kV II段进线5次谐波电流；

矽钢变1#10kV进线5、11次谐波电流，2#10kV进线侧5次谐波电流；

一总降10kV III段5次谐波电流；

CSP35kV IV段侧2、3、5、7次谐波电流。

2.5 各供电线路的功率因数

在测试的时间范围内，各主要供电线路的功率因数都达到了较高的水平；但同时也有部分用电线路由于种种原因功率因数较低：

二冷轧2#变10kV VIII段进线，其所带无功补偿装置投运，在进线侧表现为无功功率倒送，线路功率因数较低，为0.65；

二总降2#变35kV、3#变35kV段主要负荷为精炼炉，测试工况下，平均功率因数较低分别为0.78、0.74；

高线变1#轧机线和2#轧机线平均功率因数较低，分别为0.72、0.8；

冷轧变10kV I段滤波器未投，II 段SVC只投入H3、H5支路。1#变10kV侧平均功率因数低，为0.66；

三炼钢变3#变35kV侧和4#变35kV侧平均功率因数较低，分别为0.73，0.55，且4#变35kV 侧有无功功率倒送；

矽钢变I段SVC退出，II段静补退出，矽钢变1#、2#变10kV进线侧平均功率因数较，分别为0.45、0.75；

一总降2#、3#变10kV进线侧平均功率因数较，分别为0.82、0.75；

CSP的35kV V段进线侧平均功率因数较低，为0.76。

3治理方案

针对武钢供配电系统存在的电能质量问题，应当采取如下解决措施：

（1）合理调整武钢厂各配电变压器的负载功率，在最大负载率不是很大的情况下，尽

量避免各配电变压器的平均负载率在小于30%或者大于60%的工况下运行。

（2）合理调整二冷轧2#变10kV VIII段补偿装置的补偿容量，使其平均基波功率因数达到0.92以上；

冷轧变I段SVC应考虑使其恢复运行，并在其投运后，针对测试时间段内冷轧变10kV I 段高次谐波超标严重情况，进行检测评估，评价对高次谐波滤波效果；冷轧变II段虽投有滤波装置，但对高次滤波效果不明显，考虑根据最新实际运行情况，对滤波装置进行调整；

合理配置三炼钢3#变、4#变35kV 段补偿装置，使其平均基波功率因数达到0.92以上；

矽钢变10kVI段SVC应考虑使其恢复运行，并在其投运后，针对测试时间段内10kV I 段高次谐波超标严重情况，进行检测评估，评价对高次谐波滤波效果，10kV II段静补装置应考虑使其恢复运行，并在其投运后，针对测试时间段内10kV II段高次谐波超标严重情况，进行检测评估，评价对高次谐波滤波效果

（3）二热轧1#、3#35kV段虽配置有SVC装置，据测试数据分析，4次谐波电压较大，使母线总畸变率值较大，且2、3、4、5次谐波电流较大，建议根据系统最新实际运行情况进行检测评估；

针对以上问题的解决方案见下表所示

表1 电能质量问题及解决方案

（4）二总降2#变35kV、3#变35kV段，高线变1#轧机线和2#轧机线，一总降2#、3#变10kV进线侧（10kV III段总畸变率较高），CSP的35kV V段进线侧功率因数均较低，部分线路平均功率因数均在0.74到0.8之间，见下表所示

表2 线路功率及功率因数

为了能使系统经济运行，应该增设动态无功补偿兼滤波装置，使功率因数达到0.92以上。因此，建议在需要治理的线路母线上安装动态无功补偿兼滤波装置，从而根据系统负载的变化动态的补偿所需要的无功功率，并同时滤除系统中的谐波电流。

各条线路下的负荷随时间变化，所需要的系统无功功率也随之变化，因此在某些情况下可能出线无功倒送的情况，于是采用基于磁控电抗器（MCR）的无功补偿及滤波装置（MSVC）从而避免出现过补的情况。而在线路负荷包含较大冲击负荷或者负荷变化较为剧烈的时候，则可以采用SVG+FC型动态无功补偿及滤波装置。

动态无功补偿装置分为MSVC型和SVG型无功补偿兼滤波装置，其中MSVC装置由MCR磁控电抗器部分和FC滤波支路部分组成；SVG装置由SVG装置和FC滤波支路部分组成。解决方案详见下表所示

表3 电能质量问题及解决方案

4MSVC方案介绍

4.1MSVC工作原理

根据自动控制器对系统的无功功率取样，自动调节磁控电抗器的晶闸管控制角，改变铁心的磁导率，使电抗值连续可调，从而实现无功的平滑补偿。保证系统所需无功容量Q动态平衡，实现动态无功补偿效果,同时滤除系统谐波电流，使得系统谐波电流维持在一个满足国家标准的较低水平。

4.2MSVC装置组成

每套高压MSVC型动态无功补偿装置分为FC滤波支路、MCR支路、MCR励磁系统和MCR控制系统等四个主要部分。

MSVC装置一次系统图如下图所示

图1 MSVC装置一次系统图

4.2.1 FC滤波支路

FC滤波支路为系统提供容性无功,并滤除系统谐波电流。主要由滤波电容器、干式空心滤波电抗器、氧化锌避雷器、电流互感器、放电线圈和高压熔断器等元件组成。

1）电容器性能指标

I.使用环境条件：

a.安装地点：户内

b.安装形式：柜式

c.海拔高度：≤1000m

d.环境温度：-20～45℃

e.空气湿度：≤90%（25℃时）

II.主要参数：

a.接线方式：星形连接

c. 配喷逐式熔断器进行保护

d. 额定频率：50Hz

e. 相数：三相

f. 损耗角正切（tgδ）：≤0.05%(在工频额定电压下，20℃时)

g. 电容偏差：成组电容器相间误差小于1％，每相的电容器与额定值偏差小于1.5％；

h. 电容器长期工频过电压为1.1倍电容器的额定电压；电容器短期（1min）工频过电压为

1.3倍电容器的额定电压；电容器在过电流不超过其额定电流的1.3倍时可长期运行。

2）干式空心滤波电抗器主要参数、性能指标

为滤除系统谐波电流，在FC滤波支路串联空心电抗器，该电抗器为户内型干式空心铝质电抗器。

a.电抗器能在工频电流为1.35倍额定电流的最大工作电流下连续运行。

b.电抗器能在工频加谐波电压峰值为3√2UM下运行。

c.每相电抗器的形式：干式、空芯、铝导线多股平行绕制并交叉换位；

d.冷却方式：自然冷却；

e.干式空心电抗器能承受额定电抗率倒数倍额定电流的最大短时电流的作用，不产生任何热的和机械的损伤。

f.三相电抗器每相电抗值不超过三相平均值的±2%

.在额定电流下，三相或单相电抗器的声级水平不超过下表：

表4 电抗器声级水平限值

3) 过电压保护装置

为避免操作和雷电引起过电压影响电容器及其他设备安全运行，设置氧化锌避雷器保

护。

4) 放电线圈

当动态无功补偿装置退出运行后，通过放电线圈对电容器组放电，以实现电容器组电压在退出运行后迅速降到50V以下。放电线圈的二次线圈还向高压柜提供不平衡电压信号。

5)电容器单台保护用熔断器

a.型号:BRW-12/24型高压喷逐式熔断器，熔断特性见下表

表5 熔断器电流-时间特性

b.抗涌流性能

熔断器能耐受第一个半波幅值不低于熔丝额定电流100倍的电流冲击,熔断器能开断熔丝的额定电流的20倍及50倍容性电流。

4.2.2磁阀式可控电抗器

磁阀式可控电抗器（MCR）为户外型三相油浸自冷式，由优质硅钢片和导线加工而成，性能优良，具有很高的可靠性，使用后只需定期进行简单的常规检查即可确保设备长期稳定运行。

a.型式：三相、油浸自冷、连续运行

b.联接方式：Δ接

c.温升限值：电抗器正常运行时绕组平均温升≤65K，顶层油温≤55K

d.噪音小于65分贝

e.电抗器正常工作时产生的谐波含量: 5次≦2.5%,7次≦1.1%

f.设计正常使用寿命为20年以上

（1）MCR励磁系统

MCR励磁系统采用可靠性高的低压晶闸管，晶闸管采用自然冷却方式。励磁系统中的低压晶闸管的触发系统采用光电触发方式，确保主回路与控制回路具有良好的隔离性能，从而具备很强的抗干扰能力。

励磁系统与MCR磁控电抗器本体一体安装，与控制器采用光纤连接。

（2）控制系统

MSVC装置的控制系统是一个基于DSP为核心的高性能控制系统，采用全数字控制，系统具有高度的可靠性、稳定性，具有很强的抗干扰性能，而且运算速度很快，便于实现复

杂的控制算法。系统触发等脉冲信号的传输全部采用光纤进行，安全、可靠、抗干扰能力强。（3）MSVC装置性能

1）MSVC装置投运后能根据系统电压、无功参数，进行适时连续、动态的无功功率调节。2）MSVC装置采用自然冷却方式，其中磁控电抗器部分免维护。

3）MSVC装置在全功率调节范围内，电容器滤波支路始终接于母线，无合闸、分闸过程，无触点开关动作，整个调节过程无级差。不产生合闸涌流和分闸操作过电压，系统的安全性很高，可延长电容器使用寿命，装置的滤波效果始终保持一致。

4）MSVC装置自动化程度高，可根据对母线功率因数的监控，自动调整无功输出，整个过程全自动运行，无需现场人工倒闸操作。

5）MSVC装置通过以下保护措施，可确保在整个运行过程中，或在自身发生故障时，不对系统电能质量、相关电力设备及周围环境造成不利影响。

6）控制器能够分别显示系统电压、电流、功率因数、无功功率、有功功率、谐波分量；显示电容器无功出力；显示各类保护动作情况及故障告警等信息。

5SVG方案介绍

应用于配电网的SVG装置能够通过对负荷无功电流的直接控制从而动态改变输出电压的幅值和相位来实现和配电网的无功功率交换，从而改善或抑制配电网的电压偏差、电压畸变、电压波动与闪变、电压跌落与浪涌、三相电压不平衡等电能质量问题，也在提高用户功率因数的同时降低了电能的损耗、提高了发供电设备的运行效率、减少了用户的电费开支。由于SVG装置采用有·源运行方式，且不需要并联电容器输出容性无功功率，而且开关元件采用高频电力电子开关器件，因而具有响应速度快、体积小容量大、可平滑输出双向无功、补偿容量不受系统电压影响、不会引起谐振短路、可实现多目标控制等优点。

SVG装置的一次系统图如下图所示

图2 SVG 装置一次系统图

5.1 SVG 装置组成

SVG 装置本体由控制柜、功率柜、启动柜和连接电抗器组成，其每个部分的组成及功能如下 1 控制柜

控制柜由控制器、显示操作面板、控制电源、继电器、空气开关等部分组成。控制电源提供DC24V 、DC12V 和DC5V 电源系统，为控制器和继电器操作供电。显示面板包括了液晶屏显示和信号指示灯。操作部分包括开关机旋钮。

RCON 主控制器采用二级总线结构。电源板为控制器提供供电电源；通讯板完成人机界面通信和外部开关量的控制；采样板完成信号采集，调理；主控制芯片负责核心的控制算法。此总线挂有2块光纤板，光纤板通过光纤完成功率模块和主控制器之间的通讯。

主控制芯片

背板（信号路由）

采样板

电源板

光纤板

通讯板三相相电压三相相电流

装置输出电流

外接控制电源

开关量输

入输出

RS232

LCD 触摸屏

外围设备

控制器

与功率模块光纤通信

图3 控制器构成框图

RCON主控制器结构板卡正面布置如图所示。

图4 控制器机箱板卡正面布置图

表6各板卡功能表

2 功率柜

功率柜的主要组件是功率单元。装置的功率柜均有3个，其中每个功率柜分三层共安装有12个功率单元。

直流电容选用进口薄膜电力电容。考虑到串联功率单元电容器的均流问题，采用定制的叠成母线，使杂散电感降到最低，保证各个并联电容与IGBT之间距离很好的一致性，使各个电容上流过的电流一致；功率单元电容器的均压问题设计中采用先进的控制算法，使得每个功率模块之间压差在2%以内。

电子旁路回路采用进口IGBT器件，动作迅速且可靠，保证了功率模块发生故障情况下，控制器可以在1ms时间内将故障模块可靠旁路。

功率模块的控制器，除了采样回路、保护回路和输出驱动回路外，几乎所有的逻辑和通讯处理均采用大规模FPGA芯片完成，智能化的设计使得硬件设计简单，软件设计灵活，便于以后的功能修改和升级，而且可靠性高，受功率器件的干扰小。

模块化的结构设计，使得产品紧凑、重量轻，且通用性强，在功率模块发生故障时，用户只需要更换模块，使故障的处理简单化，为恢复生产赢得了宝贵的时间。模块的外部接口只有2个电压输出端子和2个光纤端子，即使非专业人员也可以更换模块，不易发生错误，使得维护和检修简单化。

3 启动柜（充电柜）

启动柜由接触器、软起电阻、隔离刀闸和接地刀闸等几个部分组成。

SVG装置在主开关合闸后，系统电压通过软起电阻对功率单元的直流电容进行充电，

当充电电压达到额定值的80％后，开机，控制系统闭合接触器，将软起电阻旁路，发出动态补偿电流。

在装置进行检修时，隔离刀闸和接地刀闸提供了安全保证。隔离刀闸可将装置与系统断开，提供明显的断开点，接地刀闸保证装置输入侧处于接地状态。

4 连接电抗器

装置的输出通过连接电抗器并联到系统侧，最终使补偿后的系统电流畸变率降到最低。干式串联电抗器技术规范参数

额定频率：50HZ

额定电压：10kV

最高电压：12kV

1）电抗器选用并联层式结构的干式空芯自冷型。在额定电流下，电抗器电抗值的容许偏差为0～＋5%，每相电抗值不超过三相平均值的±1.5%。

2）串联电抗器应满足电压、电流、频率、电抗百分值等工作条件要求。

3）串联电抗器应满足断路器、电流互感器等设备的允许涌流值进行选择。

4）串联电抗器在1.8 倍额定电流下的电抗值下降应不超过5%。

5）耐热绝缘等级：匝间及本体绝缘耐热等级为F级。

6）串联电抗器的谐波电流幅值：在额定电压下，每相三次谐波电流的幅值不超过基波电流幅值的3%。

7）串联电抗器每相阻抗值的偏差不超过三相平均值的±2%。

8）过负荷能力

（1）能在1.1 倍额定电压下连续运行；

（2）能在1.35 倍工频额定电流下连续运行或在工频与谐波合成电流方均根值为1.2（或1.3）倍额定电流下连续运行。

10）串联电抗器能承受25 倍额定电流持续2s 的作用，不产生热和机械损伤；

11）用于支持电抗器的支柱绝缘子为实芯棒状，非磁性。

12）平均温升(额定电流下）不超过60K，热点温升(额定电流下）不超过80K。

13）串联电抗器的噪声水平不超过60dB。

5.2 SVG技术指标

SVG装置满足无功功率、电压调节、功率因数及谐波治理等的技术要求，并达到以下

技术指标：

(1) 电网实时功率因数值≥0.92且不过补。

(2) 单套SVG输出调节范围为-100%～100%（无级可调）

(3) SVG装置全时响应时间开环控制时<10ms，闭环控制时<20ms。

(4) 设备具有一定的短时（1min）过载能力，过载无功补偿容量为装置总容量的20%。

(5)装置损耗<1%。

(6) 装置具备完善的控制、保护和报警措施。在装置故障时提供报警信号，严重故障时封锁SVG驱动脉冲，同时将装置退出运行。

(7) 成套装置采用强制风冷方式，技术先进、运行安全可靠，适应现场环境。

(8) 10kV母线电压总谐波畸变率限值满足GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的要求。

(9) 10kV母线电压波动及闪变满足GB/T12326-2008<<电能质量电压波动和闪变>>的要求

(10)电网公共连接点10kV母线的电压不平衡度满足GB/T 15543-2008 《电能质量三相电压不平衡》的要求。

(11)电压偏差满足GB-T_12325-2008《电能质量电电压偏差》的要求。

5.3 SVG技术特点

（1）采用FPGA进行集中控制，FPGA时钟频率最高可到200MHz，内部有84个硬件DSP 单元，DSP并联运行，运算速率远高于单个DSP控制方式，且通信延迟小，响应速度更快，便于采用更先进的控制算法，使SVG达到更加卓越的补偿效果。

（2）装置级联模块采用N+1冗余H桥模块结构，即当其中一个H桥故障后，可通过旁路将该模块弃用并启用第N+1个模块，大大提高装置的可靠性。

（3）采用同相载波层叠法进行多电平调制，在无需提高开关器件频率的条件下实现了等效高频载波调制，大大减小了输出谐波，同时克服了传统载波移相法带来的延时，提高了SVG 的补偿性能。

（4）主开关器件IGBT过压保护采用了先进的有源钳位技术，通过瞬态电压抑制管TVS构成的电路将IGBT的集电极电位钳位在直流母线电压，避免了在变流器过载或者桥臂短路情况下关断IGBT时造成过压损坏。

（6）采用了基于叠加有功电压矢量的级联模块直流电容电压平衡控制策略。该策略实现了与上层控制解耦，控制特性好，参数设计简单且只改变级联单元的有功而不影响其无功，直

流电容电压一致性好，输出波形质量高。