跨电压等级电能质量治理装置交互影响的研究

2.2

谐波滤波与无功补偿装置

电力公司要求该用户干扰性负荷接入公用电网时同步设置电能质量治理装置，以解决中频炉工作过程中产生的电能质量问题。为此，该用户委托我们设计了一套谐波滤波与无功补偿装置，采用晶闸管投切开关，包含了5次、7次和11次滤波支路。装置的基波补偿容量为728kvar，其中5次基波补偿容量为400kvar，7次基波补偿容量为240kvar，11次基波补偿容量为88kvar，则5次安装容量为630kvar（7*2*△45kvar），7次为405kvar（4*2*△45kvar+△45kvar），11次为180kvar（4*△45kvar），参数选型见表1。5次和7次为单调谐滤波器，11次为二阶高通滤波器，二阶高通滤波器的无感电阻阻值为2Ω，功率为3kW。

2.3

装置投运后存在的电能质量问题

2.3.1全部滤波支路均投入时存在的问题

该用户治理装置投运后，电力公司对22kVPCC点进行电能质量验收时，发现22kVPCC点的11次谐波电流超标的问题。为解决问题，我方人员到现场进行电能质量测试，测试点为660母线电压和660V出线电流，在全部滤波支路均投运的工况下的两组测试数据如图2所示。

图2

两种不同负载率下660V母线电压和出线电流谐波测量结果

延伸阅读：

由图2测试数据可得到以下结果：

（1）滤波支路全部投运时，在1256A和844A的两种不同负载率下，该用户660V出线的5次和7次谐波电流均较小，且引起的谐波电压不高；注入660V出线的11次谐波电流较大，进而引起了11次谐波电压。11次谐波电流经22kV/0.66kV配电变压器注入22kV系统，最终造成22kVPCC点的谐波电流超过限值规定。

（2）由于660V的电能质量治理装置中设计11次滤波支路，为何11次滤波支路未起到应有的作用，是必须尽快解决的问题。

2.3.2投入5次和7次滤波支路时存在的问题

为了查明11次谐波超标是该支路参数设计不当造成谐波放大还是其他原因造成，我们设计了两种试验工况。试验工况1是在中频炉运行时将全部滤波支路退出运行，试验工况2在相同的负载率下将5次和7次滤波支路全部投入运行（11次支路均不投运），现场测试数据如图3所示。

图3

两种试验工况下660V母线电压和出线电流谐波测量结果

由图3测试数据可得到以下结果：

（1）在两种试验工况下，660V进线的有功功率相差不大，由此假设在两种试验工况下中频炉谐波电流发生量相差不大。

（2）在两种试验工况下，660V母线相电压由376.3V升高至385.6V，同时出线电流由1765A下降至1687A，这是无功补偿提高了系统运行电压和降低了无功电流。

（3）治理装置投运前，660V出线电流的5次、7次和11次谐波电流分别为612A、564A和159A；治理装置的5次和7次滤波装置投运后，660V出线电流的5次、7次和11次谐波电流110A、35A和230A，660V母线电压总谐波畸变率由18%左右降至8%左右。电能质量治理对5次和7次谐波电流有良好的滤波效果，但对11次谐波电流产生了放大，进而注入公用电网22kV的11次谐波电流超标。

谐波放大问题是并联阻抗型无源谐波滤波器设计中常见的问题，一般是配电网内系统阻抗和并联电容器装置发生并联谐振造成的，并且谐振点在11次谐波附近。为此，我们多次赶赴越南现场调研，确认了660V配电网内并没有其他补偿装置；对两台中频炉整流电路也进行了深度调研，均未发生造成11次谐波电流放大的根源。

解决问题遇到了瓶颈，该用户也对我方产生了很大的误解，认为是我方装置自身缺陷造成电力公司对该用户谐波电流考核的不合格，影响了用户的按期投产。我方也十分困惑，从该用户内部配电网的测试数据、现场调研和建模仿真等多方面均未发现治理装置设计参数有问题，但就是找不到谐波电流放大的根源。

延伸阅读：

在与越南当地电力公司多次的沟通中，终于有了新的发现，在靠近该用户22kV并网点的供电母线上，电力公司设置了一套柱上式无功补偿装置。经过电力公司核实参数，补偿容量是1800kvar，由于是柱上式并未串联电抗器。

三.跨电压等级的电能质量治理装置交互影响研究

3.1配电网阻抗仿真模型

最终确认的该用户供配电系统接线示意图如图4所示。

图4

考虑跨电压等级治理装置的某冶金企业供配电系统接线示意图

延伸阅读：

图5配电网阻抗仿真模型

3.2未考虑公用电网电能质量治理装置的仿真研究

（2）仿真结果

由于设计中未考虑22kV系统电能质量装置对660V系统电能质量治理装置的影响，因此，首先仿真不考虑22kV系统电能质量装置的情况。仿真模型中5次、7次和11次滤波支路全部投入运行，660V出线的谐波电流系数仿真曲线如图6所示，报表见表2。

图6

未考虑22kV电能质量治理装置时660V出线谐波电流系数仿真结果

延伸阅读：

由表2仿真结果可以看出：在仿真模型中全部滤波支路投入运行，原始设计方案中5次、7次和11次谐波电流系数仿真结果分别为0.2、0.18和0.39，说明设计参数对5次、7次和11次谐波电流的滤除率为80%、82%和61%，各次滤波支路均有良好的滤波效果，也不存在11次谐波电流放大的现象。

由于该用户22kV公用电网并网点附近的供电母线上，当地电力公司设置了一套柱上式无功补偿装置。因此，须要仿真研究22kV系统电能质量治理装置对660V系统电能质量治理装置的影响，是否是造成22kVPCC点11次谐波电流超标根源。

3.3考虑公用电网电能质量治理装置的仿真研究

3.3.1投入5次、7次和11次全部滤波支路的仿真

考虑22kV系统的电能质量治理装置，仿真模型中5次、7次和11次滤波支路全部投运时660V出线的谐波电流系数仿真曲线如图7所示，报表见表3。

图7

考虑22kV系统电能质量治理装置660出线谐波电流系数仿真曲线

延伸阅读：

由表3仿真结果可以看出：在仿真模型中全部滤波支路投入运行，并考虑22kV电能质量治理装置的影响，原始设计方案中5次、7次和11次谐波电流系数仿真结果分别为0.19、0.16和1.16，说明5次、7次谐波电流的滤除率为81%和84%，而注入660出线的11次谐波电流被放大了116%。

3.3.2仅投入5次和7次滤波支路的仿真

为仿真2.3.2中现场只投运5次和7次滤波支路出现的11次谐波电流放大的情况，考虑22kV系统电能质量治理装置，在仿真模型中仅投入5次和7次滤波支路，660V出线的谐波电流系数仿真曲线如图8所示，报表见表4。

图8

考虑22kV系统电能质量治理装置不投运11次滤波支路660出线谐波电流系数仿真曲线

延伸阅读：

由表4仿真结果可以看出：考虑22kV柱上式无功补偿装置时，并考虑22kV电能质量治理装置的影响，原始设计方案中5次、7次和11次谐波电流系数仿真结果分别为0.18、0.15和1.72，说明5次和7次谐波电流的滤除率为82%和85%，而注入660出线的11次谐波电流被放大了172%。

3.4仿真研究结论

通过3.2和3.3的仿真研究过程，可得到以下仿真结论：

（1）不考虑22kV系统电能质量治理装置，660V电能质量治理装置的仿真研究中未发现装置的设计参数存在问题，谐波滤波效果良好。

（2）考虑22kV系统电能质量治理装置，并在仿真模型中投运全部滤波支路，660V电能质量治理装置对5次和7次谐波滤波效果良好，11次谐波电流被放大1.16倍。这与图2中两种不同负载率下660V出线电流谐波测量结果相吻合，此时全部滤波支路投运，660V出线5次和7次谐波均有较大滤波效果，但660V出线11次谐波电流较大。

（3）考虑22kV系统电能质量治理装置，并在仿真模型中投运5次和7次滤波支路，660V电能质量治理装置对5次和7次谐波滤波效果良好，11次谐波电流被放大1.72倍。这与图3中两种试验工况下660V出线电流谐波测量结果相吻合，全部退出滤波支路和只退出11次滤波支路时，现场测试660V出线谐波电流分别为230A和159A，11次谐波电流被放大了1.44倍。

（4）考虑22kV系统电能质量治理装置，并在仿真模型中投运全部滤波支路和仅投入5次和7次滤波支路两种工况下，660V出线11次谐波电流系数是不同的，并且不投运11次滤波支路谐波电流系数越大，说明由于22kV系统电能质量治理装置影响下，11次滤波支路对11次谐波电流还是有一定抑制作用，否则11次谐波电流被放大的更多。

（5）综合（1）、（2）、（3）和（4），660V出线谐波电流被放大的根本原因是由于22kV系统电能质量治理装置影响造成的。

四.结束语

在实际应用工作中，由于系统情况的不定性因素，装置投入后往往出现治理效果不理想，形成了一些“幽灵”的问题或故障。及时准确地找到问题根源，并相应地进行工程整改对工程项目如期完成有十分重要的意义。本文研究结论表明，在电能质量治理装置设计和工程应用时，要关注供配电系统不同电压等级已设置或规划的电能质量治理装置，包括其装置类型和容量参数等。在供配电系统参数满足一定的临界条件下，跨电压等级的电能质量治理装置间可能交互影响，特别是并联阻抗型电能质量治理装置，使电能质量治理工作起到适得其反效果。

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