新建水泥厂低压配电系统谐波估算与APF容量选型分析.pdf

2024年第2 期No.22024中图分类号：TM711文献标志码：B文章编号：10 0 8-0 47 3(2 0 2 4)0 2-0 0 6 1-0 6 DO编码：10.16 0 0 8/ki.1008-0473.2024.02.014新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch经验之谈新建水泥厂低压配电系统谐波估算与APF容量选型分析李伟孙大钊周阳（中信重工工程技术有限责任公司，河南洛阳47 10 0 0）摘要有源滤波装置（APF）在水泥厂推广应用，其选型容量依据来自服务系统的谐波含量，已建成项目的谐波含量可以直接测量，新建项目则需估算。以某5 0 0 0 t/d水泥生产线为例，系统介绍了基于大量统计的不同类型建筑的总谐波电流畸变率和基于变频装置谐波源模型的两种网侧谐波电流估算方法，包括计算过程。对比APF装置投人前后的应用实效，证实了基于变频装置谐波源模型的估算方法的准确性优于前者；减去消谐式无功补偿的谐波抑制电流，使APF容量选型更具适用性和经济性。关键词谐波电流谐波计算变频器有源滤波装置0引言随着水泥企业节能需求的提高及工艺和设备的技术进步，水泥厂的非线性电气设备大量增加，这些设备在运行过程中产生了大量的谐波，导致电网电能质量下降，直接影响了供配电系统的安全和工艺设备的运行，所以供配电系统中的谐波含量成为了用户和供电部门日益关注的一个重要参数。在水泥工程上，在设计和设备选型中考虑谐波的影响，就得对全厂供配电系统的谐波含量进行估算，必要时须采用有源滤波装置（ActivePowerFilter，简称APF）等设备对系统中的谐波进行治理。本文就新建水泥厂低压配电系统谐波的估算与APF容量的选型进行论述。1水泥厂谐波来源水泥厂供配电系统中的谐波主要来源于变频器、软启动器和照明灯具。其中软启动器只在设备启动和制动状态时工作，正常运行时软启动器均被“旁路”了。而照明灯具的谐波主要来源于气体放电灯及其镇流器或LED灯，照明灯具虽然数量很多，但其总功率在水泥厂中占比很小。在设计阶段对系统谐波含量进行估算时，可忽略软启动器和灯具的影响，主要计算变频器产生的谐波。变频器主要应用在水泥工厂中的各类调速设备上，如需要调速的风机、泵、空压机、选粉机、定量给料机等，近些年磁悬浮风机、永磁电机的使用也增加了水泥厂中的变频器数量，这些设备的使用使系统中的谐波含量不断增加。2谐波电流估算笔者设计的某5 0 0 0 t/d水泥生产线，业主在设计之初就明确要求在原料磨、窑头、水泥粉磨车间的变电所0.4kV低压母线上设置APF。A P F 是基于数字控制技术和电力电子技术发展起来的有源滤波装置，与传统的谐波滤波器相比，响应速度快，应用方案灵活，可模块化，还可以补偿系统无功。APF并联在电网中，通过外部电流互感器实时检测电流信号，分析谐波含量数据，并据此控制开关器件逆变出与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现动态滤除谐波的功能。应用APF设计谐波治理方案时，需要获得谐波源的谐波电流值，对于已建成的水泥厂，各电力室的谐波含量可利用测量工具直接测量。对于新建项目需要在设计时进行计算，但新建项目一般很难准确计算网侧谐波电流值，只能进行估算。2.1 估算方法一612024年第2 期No.22024依据中国建筑标准设计研究院编制低压配电系统谐波抑制与治理（11CD403）中推荐的谐波电流计算公式：ITHD=-STXKiXTHDV3 Us J1+THD?式中：ITHD谐波电流;THD一一电流总谐波畸变率；S一变压器额定容量；Ki一一变压器的负载率；U一变压器低压侧额定电压。建筑类型典型THDi/%办公15医疗25通信35金融20工业20水处理25公共建筑25磁悬浮一烟卤1#变压器次风机引风机功率/kW1602#变压器功率/kW变频器选用ACS880-01和ACS880-04（见图1所示）系列产品，该产品采用交-直-交变频结构，变频器由整流器（交流变直流）、直流回路和逆变器（直流变交流）三部分组成。整流器为三相桥式整流，输出侧有大电容，可以看作是电压源。其功率范围0.5 5 3 2 0 0 kW，额定功率时效率98%，产品内置进线电抗器，采用6 脉波二极管整流。FAcS880-04R+UDC+个-R-UDC-PEL1/U1;L2V1L3/W1011-交流电抗器；2-整流器；3-直流回路；4-逆变器；5-制动斩波器。图1ACS880-04主电路图将1#变压器数据代入（1）式，其中电流总谐62李伟，等：新建水泥厂低压配电系统谐波估算与APF容量选型分析表1电流总谐波畸变率表计算机设备、中央空调、各类节能灯、办公类用电设备、大型电梯重要医技设备、核磁共振设备、加速器、CT、X 光机、UPS等大功率UPS、开关电源UPS、电子设备、空调、电梯变频驱动、直流调速驱动变频器、软启动器可控硅调光系统、UPS、中央空调表2 某5 0 0 0 t/d水泥生产线窑头车间低压负荷表篦冷机冷却风机F1F2250185煤粉动态选粉机75经验之谈此方法基于大量统计，给出了不同建筑类型的典型谐波电流总谐波畸变率，见表1所示。以笔者设计的某5 0 0 0 t/d水泥生产线为例，其(1)窑头车间分布着多达十几台的低压变频风机群：10台篦冷机冷却风机，1台烟窗引风机及2 台磁悬浮一次风机（一用一备，只计1台）及1台煤粉动态选粉机，其总功率为2 5 6 5 kW；其他负荷15 8 4kW，窑头电力室的低压总装机为45 2 1kW，设计两台2 0 0 0 kVA的变压器（10/0.4kV，D,y n l 1，U k=5.5%），具体负荷见表2 所示。主要谐波源F3F4185185篦冷机冷却风机F5F7185315T1/U2T2V2T3/W2变压器负其他负荷F6载率/%185280F8F9220200波畸变率选用标准图集中推荐的建筑类型为“工业”，主要谐波源为“变频驱动、直流调速驱动”类型，其典型THD,为2 0%，窑头电力室单台变压器容量2 0 0 0 kVA，计算负载率7 8%：STX KiXTHD;ITHD=V3UsJ1+THD?得出谐波电流为441.5 9A。2.2估算方法二确定变频装置的谐波源模型，分析负载变化等因素对谐波估算的影响，利用傅里叶级数分解，估算网侧谐波电流。2.2.1估算变频器负载率通常一个设备的负载是实时变化的，而变频器的网侧电流谐波畸变率随负载容量的减小而增大。但是负载减小的同时，谐波电流的值也在降606其他负荷F10载率/%1609782 000 0.78 0.20V3 0.4 V1+0.20278变压器负79=441.59A2024年第2 期No.22024低，变频器只是供配电系统中的一部分，所以对于整个系统而言，谐波含量通常是下降的。对于水泥厂而言，生产的大部分时间都处在设计产量甚至超产的状态，所以风机往往处于接近额定运行状态。风机电机在设计选型时其额定功率一般会大于风机轴功率，而变频器常常会依据电机电流选型，风机类负载选定的变频器额定电流一般会与电机额定电流相同或大一档，所以平均来看，笔者在该项目估算时以变频器实际输出电流占其额定输出电流的75%进行计算。2.2.2计算各次谐波电流从电网侧看，交-直-交变频器就相当于一个整流器，其网侧谐波电流主要为特征谐波，实际电网中虽然也存在非特征谐波，但电流相对较小，可忽略不计2 。n=kp 1式中：n。特征谐波次数；k一整数1，2，3，4.P一整流电路的相数或每周脉动数。ACS880变频器采用6 脉冲变频器，其特征谐波主要为5 次、7 次、11次、13 次、17 次等。在工程计项目111o/lon=25%261o/loN=50%50lo/lon=75%751o/lon=100%100注：Ih一h次谐波电流有效值；Io一变频器输出电流有效值；Ion一变频器额定输出电流有效值；整流器为三相桥式整流，整流器交流侧有进线电抗器。1#磁悬浮一烟卤变压器次风机引风机额定输出电流239基波219.755次82.047次26.0811次15.8213次7.9117次6.7419次4.9823次2.9325次2.64新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch算中，一般考虑到2 5 次就已足够。篦冷机冷却风机F1的额定功率PM=185kW，额定电压U=0.38kV，额定功率因数cosQml=0.85，效率nmi=0.94。选用变频器型号ACS880-01-363A-3,额定输出电流3 6 3 A，变频器效率nvi=0.98。变频器各次谐波含有率应采用设备厂家的数据，但笔者当时参与项目设计时缺乏必要的设备资料，所以各次谐波含有率参考了天津电气传动设计研究所编制电气传动自动化技术手册中的推荐值3 ，见表3 所示。取负载率为7 5%时，计算各次谐波电流有效值：Is=363 28%=101.64 A1,=363 8.9%=32.31 AI1i=363 5.4%=19.60 A（2)113=363 2.7%=9.80 AIif=363 2.3%=8.35 AI1g=363 1.7%=6.17 A123=363 1.0%=3.63 A12s=363 0.90%=3.27 A1#变压器其他变频器的额定输出电流及各次表3 不同负载率时基波及谐波含量表%元/loN基波515232832表41#变压器变频器额定输出电流和各次谐波电流冷却风机冷却风机F1F2505363378.75272.25141.40101.6444.9532.3127.2719.6013.649.8011.628.358.596.175.053.634.553.27经验之谈7137.82.68.94.18.95.49.16.2冷却风机363272.25101.6432.3119.609.808.356.173.633.27171.71.32.31.82.72.33.52.5F3363272.25101.6432.3119.609.808.356.173.633.27190.801.21.71.9冷却风机F4363272.25101.6432.3119.609.808.356.173.633.27230.600.821.01.3冷却风机F6585438.75163.8052.0731.5915.8013.469.955.855.2763250.460.690.901.2A2024年第2 期No.22024谐波电流如表4所示，计算过程略。2.2.3计算各次总谐波电流由于谐波电流是相量相加，所以不同相位差的谐波电流之间不能直接相加，当不知道两个谐波电流的相位差时，工程上常以下式计算3：1=12h3次K1.62项目5次K1.2882.04141.4l;(u1+v2)/A203.89I总/A615.16=615.162+151.782+67.282+31.432+25.32+18.72+112+9.92=638.89式中：h=5，7，11，13，17，19,2 3，2 5。2.2.4计算线路计算电流和电流畸变率1#变压器额定容量2 0 0 0 kVA，总装机负荷2371.5kW，总运行负荷2 0 3 6 kW，计算负荷1435.2kW，计算负荷率7 8%，未考虑无功补偿的变压器二次侧计算电流为2 2 5 1.7 A（采用需要系数法计算，由于篇幅所限，不再列举1#变压器其他负荷，计算过程略）。HRI,HRI,27.36.7影响，可根据无功容量每千乏（kvar）折算成电流后按0.2 0.3 的系数折算成谐波抑制电流。该项目窑头变压器低压侧无功补偿回路串联电抗器电抗率7%，无功补偿容量2 5 0 kvar（见图2 所示），无功补偿电流3 6 0.8 A，按系数0.2 折算（因非线性设备多，取0.2），即抑制7 2.2 A的谐波电流。按估算方法一：系统存在的谐波电流为441.59A-72.2A=369.39A，窑头有源滤波装置的64李伟，等：新建水泥厂低压配电系统谐波估算与APF容量选型分析1#变压器谐波电流含量：表5 计算系数K，的取值表5次7次1.280.72表6 1#变压器各次总谐波电流7次11次0.720.1826.0815.8244.9527.2759.5332.74151.78HRIHRI;3.01.4经验之谈式中：K一一计算系数，可按表5 选取。多个变频器的同次谐波电流相加时，1#变频器和2#变频器先进行同次谐波电流叠加，所得结果与3#变频器叠加，依次叠加。将1#变压器各变频器的各次谐波电流代入式（3）（计算过程略），计算结果列人表6。(3)11次0.1813次0.086.778.0916.0467.2831.43各次谐波电流含有率叫：HRIn=100%1电流总谐波畸变率：THD;=1100%代人数值后结果见表7 所示。3APF容量选型与应用3.1APF容量选型APF的容量可依据谐波电流估算值进行选型，但采用了消谐式无功补偿设计的回路，应考虑其表7 各次谐波电流含有率计算结果%HRI,HRI,1.10.8容量应该为3 0 0 A。按估算方法二：系统存在的谐波电流为6 3 8.8 9A-72.2A=566.69A，应选用容量为500A的有源滤波器。笔者依据以往项目的经验认为图集11CD403推荐的算法，可应用在谐波污染程度一般的场合，如果用在类似窑头车间这样变频调速装置很多、占比很大的车间，算法一的结果误差较大，应依据算法二选型。最终设计人员选用了5 0 0 A的三相有源滤13次0.0817次19次006.373.807.624.5013.439.9325.3018.70HRL0.59次，13 次，偶次023次25次003.382.594.053.095.845.2511.009.90HRLsTHD0.428.42024年第2 期No.222024波器（在工程设计中并不需要将各次谐波电流补偿为零，而是针对主导谐波进行适度的补偿）。3.2APF的应用与验证TD1S13M-2000kVAD,yn11102x2.5%/0.4kV+Uk%=5.5测蛋点3新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch该项目最终采用了AF50系列并联型有源滤波器，共采用了5 组10 0 A的模块，每个模块并联至0.4kV母线，负载电流的测量以串联的形式连接，测量点2 测量点11#交压低压莓绒段经验之谈1+变压馨低压皮您母我授TS7MEWWEWVE电容补APF185kW185kW280kW160kW250kW图2 窑头1#变压器低压系统示意图5组共用同一组电流互感器，安装于一个低压柜控制器间接计算而得，测量点3 的谐波电流可由进中，与其它低压开关柜并柜，占用体积小，整齐美线处的数字式多功能表读出。比较3 个测量点的各观。次谐波数据就可以得出有多少谐波电流被APF抵谐波电流估算的准确性与APF应用后的效果应消，有多少谐波电流流入了电容滤波回路，进而验通过实际的测量进行验证。如图2 所示，测量点1为证谐波电流估算的是否准确及APF的应用效果。APF的负载侧，测量点2 为APF的电源侧，测量点3APF实际投用后的谐波含量柱状图见图3。为变压器低压进线处。其中测量点1和2 的谐波电流从图3 可以看出，APF补偿前1#变压器低压侧数据可在APF控制器上直接查看，需要注意的是测5次、7 次、11次谐波较高，尤其是5 次谐波，含量量点1的数据是直接测得的，测量点2 的数据是APF超过了2 5%；APF补偿后5 次谐波含量降低至10%以B租负载侧A相电流谐波含量（奇次）100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%135791113151719212325272931333537394143454749（a）1#变压器二次侧有源滤波器负载侧电流谐波含量柱状图（测量点1）注：1.由于APF设置在无功补偿装置的负载侧（见图2），所以图片中所示谐波含量不包含消谐回路对谐波电流的抵消。2.图片中所示为熟料产量达到设计产量时所拍，1#变压器二次侧实测运行电流约为2 0 8 0 A。下，7 次和11次谐波降低至5%以下，2#变压器运行效果与1#相近。原料磨和水泥磨车间电力室也用同样的方法进行了估算，其中原料磨车间变压器低压侧谐波电流含有率估算值在5%以下，与业主协商取消了有源波装置，实测结果为3.2%，与估算结果基本一致。从实际运行看，谐波含量估算值比实际值略微偏大，证明以上估算方法二在新建水泥项目的工程设计阶段适用性较高。3.3APF对谐波电流的跟踪与补偿WVEF3F4F6一次风机风机图3 APF实际投用后的谐波含量柱状图其一散负荷536kWB相100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%1357911131517192123252729313335373941 43454749（b）1#变压器二次侧有源滤波器电源侧电流谐波含量柱状图（测量点2）APF通常由谐波电流检测电路和电流跟踪控制电路两部分构成，见图4所示。APF工作前会先对主电路的电容器充电，当电容达到预定值，充电接触器闭合，充电过程结束。然后测量CT通过对系统电流的测量，由指令电流运算电路求出系统的谐波电流分量，从而得到系统所需的谐波电流，再由电流跟踪控制电路去控制主电路中相应的开关器件，使APF输出电流与系统中的谐波电流成分彼此消除，即系统中电流只留下基波电流分量，最终达到APF中产生的（下转第7 1页）65未自象油发电机F1185kW185kC相电源A相电流谐波含量（奇次）F2其他应老负荷70kW2024年第2 期No.222024地达到良好的回油循环效果。主供油螺杆泵流量64L/min，分配到每个磨辊的供油量为16 L/min。回油螺杆泵流量2 5 L/min，每个磨辊对应一台回油螺杆泵。（4）增加在线监测供油流量数据反馈和显示的功能，数据实时反馈到现场和控制柜，为后期智能化建设作好铺垫作用。改造后现场效果见图5 所示。图5 改造后现场图片新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch3结束语HRM3700E生料磨磨辊回油泵集中安装在磨辊润滑系统油站旁，回油泵采用大流量、高吸油能力的螺杆泵，螺杆泵吸油效果好，能够顺畅地达到良好的回油循环效果。（1）油箱供油温度由原来的2 0 提高到40，供油压力由原来的0.0 8 MPa调整到0.2 2 MPa，4个磨辊轴承温度由原来的92 降低到7 8，回油系统设备运行平稳、可靠，能够延长磨辊轴承使用寿命，节约更换备件费用5 万元以上。（2）解决了因油站故障造成生料磨主机设备跳停的因素，节约电耗12.8 万元。（3）减少了润滑油的浪费，年节约润滑油2100L，约5.1万元。（4）生料立磨的可靠运行，使得生料质量均匀稳定，为保证窑内热工制度的稳定，烧出优质高产的熟料提供了保障。（收稿日期：2 0 2 3-12-2 5）经验之谈（上接第6 5 页）电流可以准确而实时地跟踪指令电流的目的。非线性负载es主电路驱动电器路图4APF原理组成框图5 4结束语综上所述，新建项目无法通过现场测量的方式获得谐波数据，项目设计时也常常缺乏相应的基础数据及设备参数，系统中谐波电流的含量只能估算。而有源滤波装置容量的选型又以估算结果为依据，所以估算结果的准确程度直接决定了谐波治70理效果和投资成本。水泥厂中谐波的主要来源为各类变频器，计算的重点主要是确定变频装置谐波源模型，分析负载变化对谐波的影响及变频器进出线电抗、直流电抗对谐波的影响等。选择APF等滤波装置的容量时不要盲目追求将各次谐波电流补偿为零，并应考虑消谐式无功补偿回路的影响，在滤波指令电流运算电路电流跟踪控制电路效果和项目投资间找到平衡。参考文献1中国建筑标准设计研究院.低压配电系统谐波抑制及治理:11CD403S.北京：中国计划出版社,2 0 11.2中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册(第三版)M.北京：机械工业出版社,2 0 0 5:2 8 1.3天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册M.北京：机械工业出版社,2 0 11:8 18-8 12.4能源部电力司.电能质量公用电网谐波：GB/T14549-93S北京：中国标准出版社，1994:附录A.5冯尧.微电网谐波治理方法的研究D.沈阳:沈阳工业大学,1994:16.（收稿日期：2 0 2 3-0 9-2 5）