张岩  

 （辽宁荣信兴业电力技术有限公司，辽宁  114000）

关键词：APF；节能；经济效益

The economic benefits created by APF in energy-saving technological transformation

Zhang Yan

(Liaoning Rongxin Xingye Power Technology Co., Ltd., Liaoning 114000)

Abstract: Many industrial enterprises suffer from poor power quality due to load issues, which not only affects their own production but also pollutes the public power grid. The APF device can not only improve the power quality of enterprises themselves but also bring economic benefits to energy conservation and consumption reduction, helping enterprises to achieve green and low-carbon transformation and high-quality development.APF（Active Power Filter）

Keywords: APF; Energy conservation; Economic benefits

一 项目背景介绍

内蒙古某化工企业有两段10kv母线，两段母线负荷分别为：10kVⅠ段母线运行参数:1#乙炔变压器有功功率：759kw、无功功率：620kvar、功率因数0.79；1#氯碱变压器有功功率：961kw、无功功率：580kvar、功率因数0.86。10kVⅡ段母线运行参数：4#PVC变压器有功功率：1070kw、无功功率：829kvar、功率因数0.79；6#PVC变压器有功功率：1200kw、无功功率：688kvar、功率因数0.87；2#氯碱变压器有功功率：749kw、无功功率：513kvar、功率因数0.83。两段母线在380V低压侧均有变频器、单相电机等负载。在负载工作较大时会出现过电流保护跳闸现象，因此需要对系统进行治理。

二 电能质量问题和改造的必要性

如果在10kV母线设计补偿不能满足现场实际需求，现场主要负荷是在380V侧，无功需求最大是380V电压等级，只有在实际负荷侧电压侧治理，才能达到节能的效果。并且380V低压侧整流和变频设备较多，同样需要谐波发生量，达到节能效果。

当前用电质量存在：功率因数低、三相不平衡、电压波动大、电压暂降、电压暂升、谐波污染严重、电磁干扰、零相电流谐波失真量偏高等问题，都是常见的电能质量问题，而这些问题最终导致配电系统无功损耗加大，电费成本增加、电机使用寿命缩短及系统安全性降低等危害。

功率因数低将增加供电线路的损失、增加线路的电压损失、降低电压质量、降低发、供电设备的有效利用率、增加部分企业的电费开支，加大生产成本。三相电力不平衡将引起电机定子、转子铜损和转子铁损的增加，当三相电压不平衡率达5%时，可使电动机相电流超过正常值的20%以上。电机发热、发烫，线缆绝缘寿命缩短一半，附件振动力矩使电机轴承寿命缩短，引发零线过电流造成浪费，危害工作人员安全。负荷波动容易引起瞬流、浪涌对用电设备产生电能冲击，增加设备的故障率和缩短设备的使用寿命。电压暂降将造成设备误动作、生产线停止运转、设备停机或烧毁等，给工业制造带来极大的危害，同时给企业带来极大的损失。电压暂升将造成工业设备数据丢失、电灯闪烁、电气触点剥蚀、电子产品中的半导体以及绝缘损坏。谐波污染可对电动机、变压器、输电线路、电力电容器以及继电保护和自动装置的工作和可靠性造成极大的影响。电磁干扰可使灵敏的电子设备因过载而损坏、数字系统与数据传输过程中数据丢失、设备正常运行被破坏、自动化微处理器控制系统工作失控等。

三 APF介绍

3.1 APF工作原理

将IGBT自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流和谐波电流，实现动态无功和谐波补偿的目的，如图1所示：

图1 APF工作原理图

3.2 主要功能

——提高电能质量，降低能耗，提供完美的供电质量

——有效治理冲击型和混合型谐波，可以对2~50次谐波进行补偿，也可以根据实际需求设置补偿谐波次数和补偿能力

——补偿无功功率，提高功率因数

——补偿电网不平衡，使三相安全平衡

3.3 低压APF特点

图2 APF特点

l 采用NPC式三电平拓扑结构。更低损耗，更平滑的输出波形

l 各次谐波补偿可独立设置

l 风扇变频调速。散热风扇根据补偿电流及IGBT温度自动调整风速，极大提高风扇寿命，同时有效降低系统噪音

l 超温自动降容。风扇停转、过滤网堵死、环境温度过高等极端工况下，IGBT温度超过阀值后，系统自动减小补偿电流以保证系统安全

l 响应速度非常快。APF响应时间：<10ms

l 全面的保护：短路、过载、过压、欠压、IGBT过流保护和超温保护等

l 人机界面：人性化的人机界面，监控数据丰富，实时显示数据，可以满足各类用户需求

四 预期节能量测算

4.1 提高功率因数的经济效益

根据我国水利电力部颁布的《功率因数调整电费办法》^[1]，我国对大功率用电负荷是有严格的功率因数要求的，功率因数不同时，对用户实行不同的电度单价，以常见的以0.9为标准的功率因数调整办法为例，其调整办法如下表所示：

表1 以0.90为标准值的功率因数调整电费表

按理想工况下考虑，将每台变压器系统中的无功都滤除干净，因此系统中的所有无功为：620+580+829+688+513=3230kvar

补偿前厂内的平均功率按0.8考虑，将所有无功补偿后其功率因数按1考虑，电费基础价为0.4元/度，每年按工作8000小时，则安装了动态无功补偿装置以后，根据功率因数调整办法，其每年可节约电费为：

M1=3230*8000*0.4*(1+0.05)-3230*8000*0.4*(1-0.0075)=59.432万元

4.2 补偿设备对降低损耗带来的经济性

根据《企业供配电系统节能监测方法》^[2]等国家规定，我们采用无功经济当量来衡量无功补偿装置的节能效益。首先我们来了解一下无功当量的概念。大家都知道有功功率是能量的单位，但无功功率不是，为了清楚的表达无功功率与能量的关系，通过计算和实验，找出了无功功率与有功功率之间的关系：在系统中每投入1千乏的无功功率，在发电厂的直配电路中节约有功功率为0.02—0.04千瓦，在二级变压供电时节约有功功率为0.05—0.07千瓦，在三级变压供电时节约有功功率为0.08—0.09千瓦。

厂内其系统无功功率为3230kvar，该用户属于三级变压供电，单位无功量节约有功功率取最小值0.08千瓦，电费按0.4元/度计算，则动补设备每年通过降低无功传输时产生的有功损耗可节约电费为：

M2=3230×0.08×8000×0.4=82.688万元

因此节约电费总价为

M=M1+M2=59.432+82.688=142.12万元

增加补偿设备后每年节能收益142.12万元；这里面没有分析谐波、电压波动等治理后所带来的经济性，所以实际设备节约电费要大于计算值。

五 预计投入成本

预估总投资约150万元；投资回收期计算：150/142.12≈1.05年，约为12.5个月。

六 结论

功率因数达到0.95以上，380V系统中谐波电压<5%，总投资约150万元，但年收益为142.12万元，12.5个月回收投资成本的同时每年节能节省成本100多万元。

七 结束语

工业负荷的特点是电压波动大、谐波超标和功率因数低等电能质量问题，企业应根据自身负荷情况和特点在不同的电压等级进行合理的补偿装置的设计，APF设备不仅可以补偿功率因数还可以治理谐波、电压波动等，APF以其自身功能多样性的特点在低压补偿中发挥了重要的作用，给企业解决了电能质量问题的同时还带来了可观的经济效益。

参考文献

[1] 水利电力部、国家物价局文件. 关于颁发《功率因数调整电费办法》的通知[S]. https://wenku.baidu.com/view/4848296a561252d380eb6ea7.html.2013年2月5日.

[2] GB/T 16664-1996 , 企业供配电系统节能监测方法[S]. 北京:中国标准出版社, 1997年6月1日

【作者简介】张岩（1985-），男，辽宁人，辽宁荣信兴业电力技术有限公司，高级工程师，本科学士，研究方向：SVG静止无功发生器；