冷库工程变频压缩机组的谐波治理.pdf

541http:/冷库工程变频压缩机组的谐波治理（张伯乐李国涛刁明毅，赵斌）41UHUUuULaULILINUUUICHarmoOO电能质量冷库工程变频压缩机组的谐波治理张伯乐李国涛刁明毅赵斌（华商国际工程有限公司，北京市100069)nic Control of Variable Frequency Compressor Units in Cold Storage EngineeringTC(Huashang International Engineering Co.,Ltd.,Beijing100069,China)Abstract:With the increasingapplicationofhigh-power variable frequencyycompressorsincoldstorage engineering，t h e p r o b l e m o f h a r m o n i c sinlow-voltage distribution systems becomes increasinglysevere,the use of active filters in conjunction withreactors(connected in series at the front end ofcapacitor banks for reactive powercompensationcabinets can effectively control harmonics.By analyzingthe working principle of the frequency converter andconsidering practical engineering case,the harmoniccontent of each order can be calculated.This allowsfor the accurate selection of the series reactance ratioand the required capacity of the active filter.It isproposed that,from the perspective of protectingcapacitors and ensuring the safe operation of reactivepower compensation devices,a series reactance ratio of7%is more suitable for cold storage engineering.Keywords:coldstorageengineering;frequencyy converter;active filter;harmonic current;harmonic content;harmonic control;reactance ratio;power quality摘要：针对冷库工程大功率变频压缩机应用越来越普遍、低压配电系统的谐波危害越来越严重的问题，在无功功率补偿柜电容器前端串接电抗+有源作者信息张伯乐，男，华商国际工程有限公司，高级工程师。李国涛，男，华商国际工程有限公司，高级工程师。刁明毅，男，华商国际工程有限公司，工程师。赵斌，男，华商国际工程有限公司，助理工程师。滤波器可以很好地治理谐波。通过对变频器工作原理的分析，结合实际工程案例计算各次谐波含量，可以准确选择串联的电抗率和需要配置的有源滤波器容量，提出：从保护电容器、保证无功补偿装置安全运行的角度考虑，串联电抗率7%更适合冷库工程的使用。关键词：冷库工程；变频器；有源滤波器；谐波电流；谐波含量；谐波治理；电抗率；电能质量中图分类号：TM714文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1003-8493.2023.08.0070引言随着国内冷链物流行业的蓬勃发展，各种型式和规模的冷库在国内应运而生，在日常运营中，电费成为冷库的主要成本，为了节约电能，提高生产效率，增强自身的竞争力，变频压缩机组、变频蒸发冷凝器在项目中得到越来越多的应用。变频技术在节能方面有着优越的表现，但是变频器产生的谐波会严重影响电能质量，造成变压器过热、影响并联电容器的使用寿命、使断路器误动作、干扰电子设备等危害。采用有源滤波（APF）可以有效消除谐波，确保供配电系统安全、可靠运行，在无功功率补偿柜电容器前端串接适当的电抗器，可以避免配电系统产生谐振，限制电容器的合闸涌流。本文以具体工程为例，542http:/Aug.2023Vol.42No.8422023年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电介绍变频压缩机组谐波电流的计算过程以及串联电抗率的选择依据，从而更准确治理谐波。压缩机组常用变频器的谐波电流压缩机组应用最广泛的是电压源交直一交变频器，这种变频器由整流器（交流整流成直流）和逆变器（直流逆变成交流）两部分组成。通常，整流器为三相桥式不可逆或可逆整流，输出侧有大电容可看作是电压源，逆变器为PWM方式。对电网而言，变频器就是一个整流装置，其网侧谐波电流次数h=km1（k=1，2，3，m=整流器整流脉波数）。整流器为三相桥式整流（m=6）时，变频器网侧谐波电流的次数为5、7、11、13、17、19、2 3、25在考虑谐波电流的影响时，一般情况下考虑到2 5次已足够。由于整流器的负载是电容电阻性质，因此理论计算网侧谐波比较复杂。很多变频器厂商都可以提供变频器谐波含量的数据或资料，读者可以据此计算谐波含量。如果得不到相关的数据或资料时，也可由表1来计算变频器的谐波含量1。2压缩机组变频器谐波电流的计算过程某工程选用2 台变频压缩机组，变频器的数据如表2 所示。计算谐波源1在10 0%负载率时的各次谐波电流，根据表1可求得：1s=60032%=192A；I=600 9.1%=54.6A;I=600 6.2%=37.2 A;I13=6003.5%=21A;I1z=600 2.5%=15 A;lig=600 1.9%=11.4A;|23=6001.3%=7.8A;125=6001.2%=7.2 A。计算谐波源2 在10 0%负载率时的各次谐波电流，根据表1可求得：1,=7 2 0 32%=2 30.4 A;I,=7209.1%=65.5A;In=7206.2%=44.6A;li3=7203.5%=25.2A;l17=7202.5%=18 A;Iig=7201.9%=13.7A;123=7201.3%=9.4A;12s=7201.2%=8.6A。两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加时，合成的谐波电流2 ：I=Vm+Ih222+Kh/hi/h2(1)式中：Ih波源1的h次谐波电流，A；lh2谐波源2 的h次谐波电流，A；Kh一一计算系数，可按表3选取。计算可得：Is=382.85A，ZI,=99.2 3A,I=60.6 A,13=33.44 A,ZIi7=23.43 A,l1g=17.82A,123=12.21 A,Z2s=11.22A。谐波电流含量IH=（38 2.8 52+99.2 32+6 0.6 2+33.442+23.432+17.822+12.212+11.222)1/2=402.93 A。根据计算结果，本工程选用50 0 A的有源滤波器。从图1、图2 可以看出：治理前低压侧（0.4 k V）的电压总谐波畸变率约5.7%，电流总谐波畸变率约30%；治理后的电压总谐波畸变率约2.1%，电流总谐波畸变率约6.8%。从图3、图4可以看出：治理前低压侧（0.4 kV）的5次谐波电压表1大不同负载率情况下的基波及谐波含量Tab.1Fundamental and harmonic content under different load factors(I,/L0N)/%负载率基波571113171923251./loN=25%26157.82.61.71.30.800.600.461./IoN=50%50238.94.12.31.81.20.820.691./LoN=75%75288.95.42.72.31.71.00.901./loN=100%100329.16.23.52.51.91.31.2注：Ih为h次谐波电流有效值；1。为变频器输出电流有效值；lo为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。表2 变频压缩机组数据Tab.2 Data for variable frequency compressor units谐波源功率额定输人电压额定输出电流基波功输人侧有进线台数编号/kW/V/A率因数电抗器一3153806000.98124003807200.981543http:/冷库工程变频压缩机组的谐波治理（张伯乐李国涛刁明毅赵斌）43O电能质量表3计算系数K,的取值2 Tab.3Values of calculation coefficient Kh9次，12 次，h3571113偶次Kh1.621.280.720.180.080畸变率约4.8%，电流谐波畸变率约2 6%；治理后的5次谐波电压畸变率约1.7%，电流谐波畸变率约6.4%。满足GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波的谐波限值规定。3无功功率补偿柜电容器前端串接电抗率的选择依据冷库工程以三相负荷为主，当采用变频压缩机时，5、7 次谐波的含量大，用户母线上除谐波源外还有电力电容器、变压器等，系统中电感性、电容性、电阻性负荷经常变动，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当系统中某次频率的谐波足够大时，就会造成危险的过电压或过电流，无功补偿回路的电容器很容易因为过电压或过电流而损坏。要解决此问题，一方面要适当控制谐波源，另一方面是设法消除系统参数的不利配合。由表4 回路特性分析可见，无功功率补偿回路要时调高化Kfacto(A)VIH%(A)8IH%(A)OIH%(V)VIH%(V)8IH%(V)OIH%图1治理前总谐波含量Fig.1Total harmonic content before control实现抑制谐波的效果，应使回路阻抗呈电感性，11即nXLXc/n，X L=L=2 m f L，X c=C2fCX设n次谐波条件下的频率为f，设电抗率P：XcL，为基波角速度基波的频率50 Hz，可得：1f2TVLC50(2)VP当以5、7 次谐波为主时，将fs=250Hz带人式(2)，求得P0.04。根据钢铁企业电力设计手册，为减少谐波流人电容器和合闸涌流，可串联适当参数的电抗器。其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波情况下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从而消除谐振的可能。电抗器的感抗值按下式计算2 ：XcXL=K(3)式中：n一一可能产生的最低谐波次数；K一一可靠系数，一般取1.2 1.5。Xc对6 相整流线路，n=5，则XL=1.20.05Xc,52即电抗率P0.05。直方图时间演化(A)VIH%2.5(A)HIH%(A)OH%2(V)VIH%(V)HIH%(V)OIH%3.2图2治理后总谐波含量Fig.2Total harmonic content after control544http:IAug.2023Vol.42No.8442口2 3 年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气直方图时间演化厂K-FactorATHD5(A)VIH%4320(A)IH%4320(A)OIH%5432(V)VIH%482630(V)AIH%26(V)OIH%8260图3治理前5次谐波含量Fig.3Harmonic content of 5th before control表4 XL、X c 在不同取值下的回路特性分析Tab.4 Circuit characteristic analysis of X and Xcunderdifferent values回路阻抗类型备注特性串联谐振，n次谐波电流全部流经nXL=Xc/n呈电阻性无功补偿回路，电容器组可能出现谐波过负荷现象系统和电容器两支路谐波电流都nXLXc/n呈电感性流入少量谐波电流，减轻过负荷产生谐波电流共振，谐波电流被nXs=Xc/n-nXL呈电容性极度放大注：XL为串联电抗器基波阻抗；Xc为电容器基波阻抗；Xs为系统基波阻抗；在n次谐波条件下的阻抗分别为nXs、n X L、Xc/n综合以上计算结果，当无功功率补偿柜电容器前端串接电抗率不小于5%时，对5次及以上谐波起抑制作用可以保护电容器。在冷库工程设计中通常选择的串联电抗率为7%，可以根据发生谐振的条件50进行计算：当电抗率P=5%，谐振点的VP直方图时间滴化(A)VIH%8(A)IH%(A)OIH%(V)VIH%(V)HIH%(V)OIH%图4 治理后5次谐波含量Fig.4Harmonic content of 5th after control50224Hz；当电抗率P=7%，谐振点的V0.0550187Hz，都可以避免5次及以上谐波V0.07（2 50 H z 及以上谐波）发生谐振。相对于电抗率5%，串联电抗率为7%离谐振点更远，对谐波电流的抑制能力更强，电容器更不容易过载。从保护电容器、保证无功补偿装置安全运行的角度考虑，选择串联电抗率7%更适合冷库工程的使用。4结语冷库工程变频压缩机组的使用较为普遍，单台变频器容量在4 0 0 kW以上的项目也越来越多，谐波对配电系统的影响不能忽略。设置有源滤波器控制谐波源，并在无功功率补偿柜电容器前端串接7%电抗率的电抗器是可行、合理的。通过对变频器谐波电流的计算，可以选择适当的有源滤波器，从而达到保证电能质量的目的。笔者在与多家变频器厂家的沟通交流中发现，变频器进、出线段均设置电抗器的情况下，电流总谐波畸变率普遍在2 5%35%，此数据可供大家参考。伞545http:l/冷库工程变频压缩机组的谐波治理（张伯乐李国涛刁明毅赵斌）45OO电能质量参考文献1天津电气传动设计研究所电气传动自动化技术手册M3版北京：机械工业出版社，2 0 11：8 17818.2钢铁企业电力设计手册编委会销钢铁企业电力设计手册上册M北京：冶金工业出版社，2 0 12：418,428.3中国航空规划设计研究总院有限公司工业与民用供配电设计手册M4 版北京：中国电力出版社，2016.4中国电力企业联合会：GB50227-2017并联电容器装置设计规范S北京：中国计划出版社，2 0 17.5王明全带谐波抑制的无功补偿理论分析及设计应用J建筑电气，2 0 13（4）：2 0-2 6.6马泳，蔡建华APF采样点的选取对谐波效果影响的研究J建筑电气，2 0 13（3)：4 8 52.7能源部电力司GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波S北京：中国标准出版社，1993.8中国建筑东北设计研究院有限公司GB51348-2019民用建筑电气设计标准S北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.2022-08-08来稿2023-07-19修回建筑光储直柔系统设计及安装标准图集在成都通过审查2023年7 月19 日，四川省住房和城乡建设厅在成都组织召开了四川省工程建设标准设计建筑光储直柔系统设计及安装标准图集（以下简称图集）审查会议。四川省住房和城乡建设厅、四川省建设工程造价总站，以及评审专家、编制组成员等共计4 3人参加了会议。会议由四川省住房和城乡建设厅标定处清沉副处长主持，中国建筑西南设计研究院有限公司科技部总经理杨杰、院电气总工程师杜毅威分别致辞，感谢住建厅对图集编制的支持，感谢专家们和社会各界对图集编制工作的关心和帮助，感谢在图集编制工作中砥砺前行的所有人。图集由中国建筑西南设计研究院有限公司主编，国家电网四川省电力公司、国网成都天府新区供电公司、成都市住建局绿色建筑监督站、中国建筑标准设计研究院有限公司、南京国臣直流配电科技有限公司、中国建筑一局（集团）有限公司、四川中电启明星信息技术有限公司、ABB（中国）有限公司、成都中建材光电材料有限公司、四川蓝电电缆科技有限公司、天津市中力神盾电子科技有限公司、青岛特来电新能源科技有限公司等共同参编。审查组由上海华建集团电气总工程师、上海建筑设计研究院有限公司电气总工程师陈众励任组长；深圳市建筑科学研究院股份有限公司副总工程师、中节能协会光储直柔专委会秘书长郝斌，成都市建筑设计研究院有限公司电气总工程师、四川省勘察设计大师黄志强任副组长；中南建筑设计院股份有限公司公司副总工程师熊江、四川省建筑设计研究院有限公司股份有限公司总工程师胡斌、天津市建筑设计研究院有限公司电气总工程师王东林、基准方中建筑设计股份有限公司电气总工程师黄洲任审查专家。审查会议由专家组组长陈众励总工程师主持。会上，中国建筑西南设计研究院有限公司教授级高级工程师朱彬代表编制组对图集的编制背景、编制目的和意义、编制过程、主要研究内容及创新点进行了介绍。专家审查组认真听取了编制组的汇报，对图集文本进行了逐项审查。专家审查组认为，编制组提交的送审资料齐全、内容完整，符合四川省工程建设标准设计的编制和审查要求；图集编制组在国内首次编制完成了光储直柔系统设计及安装图集，全面系统地给出了光储直柔典型系统架构及系统接入方案，率先提出了光储直柔系统的短路电流计算方法并进行了数值仿真验证，同时提出了一种储能系统容量和储能电池的计算方法；图集可操作性强，具有较高的工程应用价值，对于推动和规范四川省建筑光储直柔系统设计和安装具有重要的指导意义。图集填补了相关领域的空白，达到国内领先水平。最终专家审查组一致同意图集通过审查，建议编制组对图集送审稿修改完善后形成报批稿，报四川省住房和城乡建设厅作为工程建设标准设计批准发布。建筑电气杂志社