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谐波治理节能效果和经济效益分析

目前,电网中谐波干扰大量涌现,谐波问题日趋复杂,因此谐波治理课题也越来越受到研究者的重视。

        谐波的产生与近年来非线性设备的大量采用有很大关系,另外广泛应用的传统变压器和铁芯电抗器也会产生谐波。

        国外经验表明,各种非线性电力设备容量的增长率超过电网的发电设备容量的增长率,这一事实说明谐波问题更加突出。谐波的存在会影响整个电网环境,对电力设备以及绝缘造成不利影响。比如,谐波会使电厂设备绝缘老化,从而缩短它们的使用寿命。

        国内外运行经验表明,受谐波影响而致损坏的电气设备中,电力电容器占有最大比例。现在,金属化膜电容器以其良好的自愈性能在电力系统中得到广泛的应用,因此,有必要了解谐波对金属化膜电容器寿命的影响,这样才能更好的对金属化膜电容器进行谐波治理

        变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。加在变压器上的电压通常是正弦电压,因此铁芯中磁通也是按照正弦规律变化的,但是由于铁芯磁化曲线的非线性,产生正弦磁通的励磁电流也只能是非线性的。此外,还有许多谐波源,比如电视机、荧光灯、个人计算机等,它们虽然单台功率很小,但其庞大的数量所带来的谐波污染也是十分严重的。

  在各种电力电子装置中,整流设备所占的比重最大,目前,常用的整流电路大都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,比如直流侧采用电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流的基波分量的相位与电源电压相位大体相同,因此基波功率因数接近于1,但其输入电流的谐波分量却很大,给电网造成严重污染,也使得总的功率因数很低。

        除此之外,逆变器、直流斩波器的应用也较多,这些装置所需的直流电源主要来自整流电路,因而谐波问题也很严重。可以看到交流侧的电流是一段段的梯形波,而直流侧的电压也含有纹波,这说明整流器在交流侧和直流侧都要产生高次谐波。

  电力系统中产生谐波的源主要来自各种非线性用电设备,例如:电力电子装置,电弧炉,家用电器,以及变压器和铁芯电抗器等。在电力电子装置大量应用之前,最主要的谐波治理源是电力变压器的励磁电流,其次是发电机,而在电力电子设备大量应用之后,后者成为最主要的谐波源。

设备正常运行后,功率因数基本不变,假如高压侧的电流由原来的45A降到40A,降幅为10%左右,按照以上结果计算,节电率应当为10%左右(由于功率因数不变,电流减小,因此,减小的实际为有功功率);为了进一步验证节电效果,在低压侧总进线柜安装了电度表,将其测量结果与1#变压器高压进线电度表比较,用于测量滤波器运行前后,变压器的节电量,从两只电度表测量结果计算,变压器每天节电128度左右,节电功率为128/24=5.35。

        节能效果分析:

        按照原来现场测量数据分析,安装有源滤波器后,平均视在功率可降低20%左右,并产生明显节电效果。

        其中:如果电压谐波被完全抑制,可降低主变压器铁损

        PL1 ≈ (1.9+2.4)×30% = 1.3kW

        可降低充电机变压器附加铁损

        PL2 ≈ 53×30% = 15.9kW

        可降低主变器负载损耗

        PL3 ≈ 12×(650/1894)2×9= 12.7kW

        以及谐波导致的其它损耗的降低

        PL4 ≈ 650×235×3×2% = 9.2kW

        谐波被完全抑制后,可降低损耗总量为

        PL总 ≈ 1.3 + 15.9 + 12.7 + 9.2 = 39.1kW

        按照以上计算,谐波被完全抑制后,可降低变压器总损耗为

        PL变≈1.3kW+12.7kW=14KW。

        设备实际投运后,谐波电压基本得到抑制,因此,滤波器安装后,谐波电压导致的铁损与计算值应当相当;按照原来的分析,谐波电流为650A,因此导致的主变压负载电流额外损耗为12.7kW,此值为理想值,也就是谐波得到完全治理后的节电量,但是实际装机容量为400A,按照此谐波电流计算,滤波后主变压器减少的负载损耗应为

        PL3 ≈ 12×(400/1894)2×9= 4.81kW

        则修正后的变压器理论节电功率为

        1.3+4.81=6.11KW

        安装滤波后减少杂散损耗理论值为

        PL4 ≈ 400×235×3×2% = 5.66kW

        实测的的变压器节电功率(5.35KW)小于修正后的理论节电功率,主要原因是由于新增充电机后,铁损的功耗增加所致。

        与以上结果分析得出,滤波后,变压器降低的铁损与理论计算值基本相同,但谐波电流由于没有完全滤除,因此与原预测有出入,按照实际装机容量计算,滤波器按转后,节省的总电能为

        PL总 ≈ 1.3 + 15.9 + 4.81 + 5.66 = 27.66kW

        按照变压器实测的节电功率计算

        PL总 ≈ 5.35 + 15.9+ 5.66 = 26.91kW

        按照平均有功功率为700KW计算,实际节电率为

        26.91/700≈3.84%

        以上计算值比从高压侧观察电流节约的少,主要原因一是有另外加装一套充电机柜后,电压谐波进一步恶化,导致的充电变压器和主变压器的铁损按照电压谐波的平方成正比增加,谐波电压滤除后,损耗进一步降低;二是因为充电机充放电过程的不可预知性;三是可能在高压侧对于电流和功率因数观察的误差造成的误差。因此,从以上分析,滤波器安装后,基本达到了预期的节电效果。

        按照以上分析计算,每年的节电量为

        26.91*24*365*0.9=212158KWh

 


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 · 谐波治理节能效果和经济效益分析

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