国晶硅业电能质量评估报告20110812

目 录

1 设计依据、参考资料及设计原则 .......................................... 1

1.1 设计依据及主要参考资料........................................... 1 2. 国晶硅业工程概况 ..................................................... 1 3. 益阳市电力系统现状 ................................................... 2 4. 国晶硅业接入系统方案 ................................................. 3 5 电能质量分析计算 ...................................................... 3

5.1 计算程序 ........................................................ 3 5.2 计算网络 ........................................................ 4 5.3 谐波电压电流限值及现状........................................... 4

5.3.1 国晶硅业220kV 变电站220kV 侧谐波电压限值及现状 ............. 4 5.3.2 国晶硅业220kV 变220kV 母线总谐波电流限值 ................... 5 5.4 谐波计算网络建模 ................................................ 7

5.4.1 谐波源仿真 . ................................................ 7 5.4.2 系统等值 . .................................................. 7 5.4.3 网络建模 . .................................................. 8 5.5 谐波电流计算及分析 .............................................. 8

5.5.1 计算方式 . .................................................. 8 5.5.2 最大非线性负荷下的谐波电流计算 ............................. 8 5.5.3 滤波器配置 . ............................................... 10 5.6 谐波电压计算及分析 ............................................. 12

5.6.1 不考虑背景谐波的谐波电压计算 ............................... 12 5.6.2 考虑背景谐波的谐波电压计算 ................................. 13 5.7 电压波动和闪变计算及分析 . ........................................ 14

5.7.1 电压波动计算 . .............................................. 14 5.7.2 电压闪变计算 . .............................................. 15

6 结 论 ............................................................... 17

附 图 目 录

附图01 国晶硅业接入系统方案图

附图02 国晶硅业接入系统电能质量评估计算网络图 附图03 国晶硅业电能质量评估系统潮流图

附图04 国晶硅业220kV 专用变不投电容器组时的谐波潮流图

附图05 附图06 附图07 附图08 附图09 附图10 附图11 附图12 附图13 国晶硅业220kV 专用变投入1×7000kvar 电容器组时的谐波潮流

图

国晶硅业220kV 专用变投入2×7000kvar 电容器组时的谐波潮流

图

国晶硅业220kV 专用变投入3×7000kvar 电容器组时的谐波潮流

图

国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）电容器组时的

谐波潮流图

国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）和7000kvar （串

抗2.04%）电容器组时的谐波潮流图

国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）、7000kvar （串

抗2.04%）电容器组和9次高通滤波器时的谐波潮流图

在背景谐波下，国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）

电容器组时的谐波潮流图

在背景谐波下，国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）

和7000kvar （串抗2.04%）电容器组时的谐波潮流图

在背景谐波下，国晶硅业220kV 专用变投入7000kvar （串抗4%）、

7000kvar （串抗2.04%）电容器组和9次高通滤波器时的谐波潮流图

1 设计依据、参考资料及设计原则1.1 设计依据及主要参考资料

1) 《电力系统设计手册》（中国电力出版社，1998版）。 2）《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-93）。 3）《电能质量 电压波动和闪变》（GB 12326-2008）。

4）益阳电力勘测设计院关于国晶硅业一期工程（4×75MW ）接入系统设计报告及接入系统推荐意见。

5）业主提供的关于国晶硅业的相关资料。 2. 国晶硅业工程概况

益阳国晶硅业有限责任公司是由香港万骏股份有限公司全资控股的外商独资企业, 注册资本金20亿元人民币，地处益阳高新技术开发区，规划占地3300亩。一期占地约700亩，计划员工数约500人，拟总投资折合人民币约60亿元，新建从事多晶硅工艺研究和生产的高科技有限责任公司，年产值达到60亿元人民币以上。

国晶硅业经营范围为：区熔多晶硅、一般电路级多晶硅、太阳能级多晶硅、硅烷气、高纯二氯二氢硅、高纯四氯化硅及多晶硅的深加工等材料制备。

国晶硅业项目工程年用电量1.5T •Wh ，日最大负荷235MW ，日最小负荷为180MW ，最大负荷利用小时数6380小时。一类负荷2%，二类负荷95%。工程生产连续性强，自动化程度较高，生产过程中有易燃、易爆、强腐蚀介质，若突然停电可能使生产混乱，需要长时间才能恢复生产，造成重大

的经济损失。因此，对供电电源及供电方案的可靠性要求较高，需要采用双电源进行供电。保安负荷2MW ，采用自备柴油发电机供电。

国晶硅业拟在益阳高新技术产业开发区规划建设多晶硅项目，项目一次规划，分期建设。项目建成后将在益阳形成高纯硅、多晶硅、单晶硅、切片、组件完整的太阳能光伏产业链。一期建设年产10000吨的生产线，生产装置、辅助装置和公用工程设施预留二期用地，其它设施一次建成，计划2011年5月开工，2012年3月试生产。二期建设年产30000吨的生产线，建设投产时序视市场情况而定，具有很大不确定性，因此本次仅针对一期工程做电能质量评估报告。

3. 益阳市电力系统现状

截至2010年底，益阳市拥有电源装机总计3220.987MW （其中水电1348.987MW ，占总装机的41.9%，火电1872MW ，占装机容量的58.1%）；发电量为9.462T •Wh （其中水电3.198T •Wh ，火电6.264T •Wh ）。

截止2010年底，益阳电网拥有500kV 变电站（复兴变）1座，主变1台，容量750MVA ；220kV 变电站7座，主变11台，容量1440MVA ；220kV 线路22条，长度923.227km 。

2010年，益阳市统调供电量4.35T •Wh ，统调最大负荷886MW 。 本项目地处益阳中部的赫山区，毗邻资阳区、朝阳区及桃江县。 截至2010年底，赫山区、资阳区、朝阳区及桃江县内，拥有电源装机总计2002.842MW （其中水电166.842 MW，占总装机的8.33%，火电1836.0MW ，占总装机的91.67%）；发电量为6.654T •Wh （其中水电0.4886T

•Wh ，火电6.1657T •Wh ）。

截至2010年底，该区域内拥有220kV 变电站5座，主变7台，容量960MVA ；220kV 线路16条，长度442.181km 。

2010年，赫山区统调供电量0.947T •Wh ，统调最大负荷177MW ；朝阳区统调供电量0.543T •Wh ，统调最大负荷126MW ；资阳区统调供电量0.304T •Wh ，统调最大负荷86MW ；桃江县统调供电量0.894T •Wh ，统调最大负荷183MW 。

4. 国晶硅业接入系统方案

根据益阳电力勘测设计院关于国晶硅业接入系统设计报告中的接入系统方案论证，考虑国晶硅业负荷水平、地理位置、供电范围及周边电网情况，推荐国晶硅业本期接入系统方案为：剖入益阳电厂～复兴变I 回220kV 线路，形成国晶硅业一回至益阳电厂（LGJ-2*400/12.5km），一回至复兴变（LGJ-2*400/7.2km）接线，待益阳南变投产后，国晶硅业双回220kV 出线均剖入益阳南220kV 变，即形成国晶硅业至益阳南双回接线模式。 5. 电能质量分析计算 5.1 计算程序

本次计算采用的计算软件为：

1、美国OTI 软件公司开发的《ETAP 电力系统分析计算应用软件》用于谐波分析计算。

2、中国电科院开发的电力系统分析综合程序PSASP6.26版用于短路计算。

5.2 计算网络

（1）接入系统方案：根据推荐接入系统方案，本期国晶硅业1回220kV 线路接入复兴500kV 变220kV 线路1回(400*2/7.2km)和国晶硅业1回220kV 线路接入益阳电厂I 期220kV 线路1回(400*2/12.5km)，接入系统方案见附图01。 （2）电网公共连接点（PCC ）：根据接入系统设计考虑终期国晶硅业220kV 专用变接入益阳南220kV 变，综合国晶硅业供电范围及周边电网情况，本期以国晶硅业220kV 专用变当作系统节点，则电网公共连接点为国晶硅业220kV 变220kV 侧母线。

（3）国晶硅业220kV 变220kV 侧母线短路容量：

表5.2－1 电网公共连接点（PCC ）母线短路容量（2012年系统小方式）

（4）国晶硅业220kV 专用变～益阳电厂1期220kV 变220kV 线路：1回400*2/12.5千米。

国晶硅业220kV 专用变～复兴500kV 变220kV 线路：1回400*2/7.2千米。 （5）系统计算网络图见附图02。 5.3 谐波电压电流限值及现状

5.3.1 国晶硅业220kV 变电站220kV 侧谐波电压限值及现状

按照《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-93）标准规定如表5.3-1。

表5.3-1 国晶硅业220kV 变电站220kV 母线谐波电压限值

本次计算以当前已运行的复兴500kV 变电站220kV 母线谐波电压作为本次计算的背景谐波加以考虑。则复兴500kV 变电站220kV 母线的谐波电压现状见表5.3-2所示。

表5.3-2 复兴500kV 变电站220kV 母线的谐波电压现状

5.3.2 国晶硅业220kV 变220kV 母线总谐波电流限值

根据《公用电网谐波》技术要求，220kV 对应基准容量2000MV A 下各次谐波电流允许值见GB/T 14549表2中给出的各次谐波电流限值。实际变电站谐波电流允许值按系统实际的最小短路容量进行换算，即

I h =(Sk1/Sk2) Ihp

式中 S k1——公共连接点的最小短路容量，MVA ；

S k2——基准短路容量，MV A ；

I hp ——基准短路容量对应第h 次谐波电流允许值，A ； I h ——短路容量为S k1时的第h 次谐波电流允许值，A 。 则计算国晶硅业220kV 变220kV 母线总谐波电流限值为表5.3-3

表5.3-3 国晶硅业220kV 变220kV 母线总谐波电流限值

对应的国晶硅业专用变注入的各谐波电流允许值 I hi = Ih (Si /ST ) 1/α

式中 S i ——国晶硅业专用变用户的用电协议容量，MVA ；

S T ——公共连接点的总供电容量，MV A ；

I hi ——国晶硅业专用变用户对应第h 次谐波电流允许值，A ； α —— 相位迭加系数，按表5.3－4取值。

表5.3－4 相位迭加系数

计算PCC 点总供电容量时，考虑国晶硅业220kV 变的主变容量。 （1）国晶硅业本期的协议容量：300MV A 。 （2）PCC 点总的供电容量：300MV A 。

则计算得国晶硅业专用变注入的谐波电流限值见表5.3-5。

表5.3-5 国晶硅业专用变注入的谐波电流限值

5.4 谐波计算网络建模 5.4.1 谐波源仿真

根据业主提供的资料，国晶硅业用电设备为常规异步电动机和还原变所带负荷，非线性负荷主要为还原变所带负荷，220kV 专用变10kV 侧共带了40台（每台容量为9100kV A ）还原变，每台还原变低压侧接2组硅芯棒，每组硅芯棒含有18对硅芯棒。对于其用电设备，线性负荷本身产生的谐波是可以忽略的，谐波的产生主要是来自还原变所带硅芯棒，硅芯棒其特征谐波大约为6k ±1次谐波，40台还原变采用延边三角形移相变压器，20台变压

器移相+15°，20台变压器移相-15°。故本次仿真计算采用业主提供的实测

谐波参数作为谐波源，则该还原变所带硅芯棒组其谐波含量如表5.4-1所示。

表5.4-1 还原变所带硅芯棒组的谐波含有率

在谐波计算过程中，根据表5.4-1的谐波含有率建立谐波源模型。 5.4.2 系统等值

在建立计算网络过程中，需要对系统进行建模。本次计算以复兴变500kV 母线为系统等值点，复兴变500kV 母线与系统的连接用一个等效电网等值，该等效电网的短路容量用最小短路容量进行赋值。对应复兴变500kV 母线最小短路容量Sd1=34244MVA，则等效电网短路容量Sd2=Sd1=34244MVA。

计算的系统网络以2012年小方式网络进行建模计算。国晶硅业在计算中考虑本期生产线满负荷运行。 5.4.3 网络建模

根据业主提供的国晶硅业专用变接入系统方案和专用变的一次电气接线图，建立电气网络计算图（附图02），并完成各元件的参数填写。 5.5 谐波电流计算及分析 5.5.1 计算方式

本工程最主要的谐波源为还原变所带负荷，计算中以最大非线性负荷为计算方式。国晶硅业专用变的每条10kV 母线侧将集中安装2组电容器组和一组高通滤波器组，根据电容器组投切容量和串接电抗率的不同可分为不同运行状态。本次计算根据以上方式分别进行计算分析。 5.5.2 最大非线性负荷下的谐波电流计算

国晶硅业新建工程专用220kV 变电站主变容量为4×75MV A ，每台主变分别带一条10kV 母线，每段母线带10台容量9100kvar 还原变。经无功补偿计算，220kV 专用变电站的每条10kV 母线需集中补偿无功为21000kvar ，总补偿无功4×21000kvar 。对每段10kV 母线21000kvar 无功进行分组为7000kvar 、7000kvar 、7000kvar 三组电容器组。表5.5-1至表5.5-3为在投入不同电容器组的运行方式下，国晶硅业注入谐波电流计算结果。

表5.5-1 不投入电容器组，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

表5.5-2 投入1×7000kvar 电容器组，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

表5.5-3 投入2×7000kvar 电容器组，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

表5.5-4 投入3×7000kvar 电容器组，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

分析表5.5-1至表5.5-4的数据得出，国晶硅业非线性负荷发射的谐波电流主要以5、7、11、13、15、17、19、23、25等6k ±1次谐波电流为主，

其中5、7、11、13次谐波电流相对较大，在不投入电容器组情况下，11次谐波电流超标；当电容器组相继投入时，5次、7次谐波电流进一步放大，甚至发生谐振效应，最大的5次谐波电流达到61.75A ，远远超过了43.51A 限值，其他各次谐波电流都低于限值标准。 5.5.3 滤波器配置

根据接入系统设计，国晶硅业推荐配置84Mvar 的容性无功补偿，每条10kV 母线上挂21Mvar 的容性无功补偿。为防止电容器组谐振，电容器组需串接一定的电抗率。根据串联谐振或滤波器的要求，满足nX L =滤除n 次谐波。

X L ——串联电抗器基波电抗；

X C

则可以n

X C ——并联电容器基波容抗；

n ——谐波次数；

即：X L =

1

X C 2n

1

X C =4%X C ； 251

X C =2. 04%X C ； 当n=7时， X L =49

当n=5时， X L =

满足上述电抗率配置的电容器组对各次谐波达到最好的滤波效果。 由于国晶硅业新建工程非线性负荷以6k ±1次谐波电流为主，根据上述计算的结果表明，特别是5次、7次等谐波较大。在投切电容器时，5次和7次谐波都存在放大的现象甚至产生谐振效应。在电容器组对5次、7次谐波的滤除方面，考虑到且需要对高次谐波进行滤波，而一般的单调谐的滤波器对高次谐波滤除效果不明显，故本系统建议采用高通滤波器配合电

容器组串接电抗使用。本设计方案是1组7000kvar 电容器组串接4%的电抗率、1组7000kvar 电容器组串接2.04%的电抗率和1组9次高通滤波器配合使用，该配置方式滤除5次、7次谐波和高次谐波效果较好。

在本次计算中，模拟对1组7000kvar 电容器组串接4%的电抗率、对1组7000kvar 电容器组串接2.04%的电抗率和对1组9次高通滤波器的情况，计算得到如下表5.5-5至表5.5-7的结果。

表5.5-5 投入1组7000kvar （4%串抗）电容器组，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

表5.5-6 投入1组7000kvar （4%串抗）和1组7000kvar （2.04%串抗）电容器组，

国晶硅业注入的谐波电流（A ）

表5.5-7 投入1组7000kvar （4%串抗）、1组7000kvar （2.04%串抗）和1组

9次高通滤波器，国晶硅业注入的谐波电流（A ）

分析表5.5-5至表5.5-7的数据得出，国晶硅业在投入串接电抗率的电容器组和高通滤波器后，各次谐波电流得到显著下降，且各次谐波电流都合格。

5.6 谐波电压计算及分析

在本次计算中，背景谐波考虑以复兴500kV 变220kV 母线谐波电压为背景基础（表5.3-2）。本次谐波电压分别计算了不考虑背景谐波和考虑背景谐波两种方式下的谐波电压计算结果。 5.6.1 不考虑背景谐波的谐波电压计算

在谐波电压计算中，考虑谐波最大的情况，即非线性负荷全部投运的情况下的谐波电压计算结果，不同电容器投切方式的谐波电压计算结果如表5.6-1至表5.6-4所示。

表5.6-1 不投入电容器组，各母线谐波电压畸变率（%）

表5.6-2 投入1组7000kvar （4%串抗），各母线谐波电压畸变率（%）

表5.6-3 投入1组7000kvar （4%串抗）和1组7000kvar （2.04%串抗），

各母线谐波电压畸变率（%）

表5.6-4 投入1组7000kvar （4%串抗）、1组7000kvar （2.04%串抗）和1组9次高通滤波

器，各母线谐波电压畸变率（%）

在不考虑背景谐波情况下，谐波电压的计算结果显示，在不投入电容器组时，10kV 母线谐波电压总畸变率超标，投入电容器组和高通滤波器后，各电压母线谐波电压总畸变率显著下降到限值以下，都达到国标的要求。 5.6.2 考虑背景谐波的谐波电压计算

在谐波电压计算中，复兴500kV 变220kV 母线叠加了背景谐波电压，同时考虑谐波最大的情况，即非线性负荷全部投运的情况下，不同电容器投切方式的谐波电压计算结果如表5.6-4至表5.6-6所示。

表5.6-4 投入1组7000kvar （4%串抗），各母线谐波电压畸变率（%）

表5.6-5 投入1组7000kvar （4%串抗）和1组7000kvar （2%串抗），

各母线谐波电压畸变率（%）

表5.6-6 投入1组7000kvar （4%串抗）、1组7000kvar （2%串抗）和1组9次高通滤波器，

各母线谐波电压畸变率（%）

系统背景谐波电压主要以3、5、7次谐波电压为主，益阳国晶硅业用户的谐波主要以5、7次为主。计算结果显示，在考虑电网背景谐波情况下，随着电容器组和高通滤波器的投入，各电压母线谐波电压总畸变率呈减小趋势，且均下降到规定限值以下，满足国标的要求。

考虑到国境硅业的主变10kV 侧为△接线，所以系统的3次及3的整数倍次谐波无法流入10kV 母线，实际情况不平衡3次谐波还是可以在该10kV 母线流通。因此，在电容器电抗率配置时，需要考虑系统的背景谐波的影响。 5.7 电压波动和闪变计算及分析

还原变在运行过程中，随机且大幅度波动的无功功率会引起供电母线电压的波动，并构成电压波动和闪变干扰，以下就针对国晶硅业运行过程进行电压波动和闪变的评估计算。 5.7.1 电压波动计算

根据《电能质量 电压波动和闪变》（GB 12326-2008）国标的要求，电力系统公共连接点的电压变动限值见表4.7-1。

表4.7-1 电压变动限值

单台还原变的最大无功功率变化量 △Q max = 518-58=460kvar

国晶硅业专变

40台还原变运行时分5组，每组8台，每天运行32台，

则计算得总的最大无功变化量为：

△Q max1= 32*460=14720kvar

则对于高压系统220kV 母线的d(电压变动,%)的限值为1.5%。 国晶硅业220kV 母线最小短路容量为S sc =9057MVA，则电压变动为d=(△Q max /Ssc ) ×100%=0.16%，在合格范围内。

则国晶硅业本期工程非线性负荷引起的系统公共连接点母线电压波动在合格范围内。 5.7.2 电压闪变计算

根据《电能质量 电压波动和闪变》（GB 12326-2008）国标的要求，各级电压的闪变限值见。

表4.7-2 各级电压下的闪变限值

冶炼负荷的闪变可以用下式预测： P lt =0.25dmax

则计算得，各电压母线的闪变值见表4.7-3。

表4.7-3 各电压母线的闪变计算值

分析表4.7-3，由国晶硅业本期工程非线性负荷引起的系统公共连接点母线长时间闪变为0.04，在合格范围内。

6 结 论

1) 、国晶硅业非线性负荷发射的谐波电流主要以5、7、11、13、15、17、19、23、25等6k ±1次谐波电流为主，其中5、7、11、13次谐波电流相对较大，在不投入电容器组情况下， 11次谐波电流超标；当电容器组相继投入时，5次、7次谐波电流进一步放大，甚至发生谐振效应，最大的5次谐波电流达到61.75A ，远远超过了43.51A 限值，其他各次谐波电流都低于限值标准。

根据谐波电流计算结果，国晶硅业必须采取滤波措施，主要滤除5次、7次及以上的谐波，使得国晶硅业发射的谐波电流最终满足国标的要求。

2) 、国晶硅业在投入串接电抗率的电容器组和高通滤波器后，各次谐波电流得到显著下降，且各次谐波电流都合格。

3) 、谐波电压的计算结果表明，国晶硅业在不同运行方式下，在不考虑背景谐波情况和考虑背景谐波情况下，谐波电压的计算结果显示，在不投入电容器组时，10kV 母线谐波电压总畸变率超标，投入电容器组后，各电压母线谐波电压总畸变率显著下降到限值以下，都达到国标的要求。

4）、根据谐波计算分析，由于国晶硅业产生的非线性负荷以5次、7次及以上各次谐波电流为主，推荐配置一组7000kvar 的5次电容器组、一组7000kvar 的7次电容器组和一组9次高通滤波器，经计算结果表明，投入滤波器后谐波电压和电流都满足国标要求。

5) 、电压波动和闪变的计算结果表明，国晶硅业引起的公共连接点的母线电压波动、电压闪变都合格。

6）、根据计算分析结果，由于目前益阳国晶硅业有限责任公司220kV 变电站所带的还原炉负荷较多（40台还原炉），谐波超标严重，在生产过程中，负荷工作的一致性很难保证，因此将会产生复杂的工作状态，对电网产生较大的影响，一般的无功补偿装置难以解决负荷生产时无功补偿及谐波放大的问题。为了综合解决还原炉负荷引起的电能质量问题，推荐在益阳国晶硅业220kV 变电站每台供电主变的10kV 母线侧分别加装1套额定容量为7Mvar 的动态无功补偿装置SVG 、一组7Mvar 的5次电容器组和一组9次高通滤波器，其他滤波支路由配套设备厂家根据SVG 自身的阻抗特性进行配置。

7）、本次计算是基于用户提供的数据进行分析计算的结果，考虑实际设备参数可能存在的误差，在确定电能质量治理设备后，设计部门需根据具体配置方案和参数进行复核计算，以保证电能质量治理达到实际效果。

8) 、按照电能质量技术监督规程（DL/T 1053-2007）的要求，在国晶硅业220kV 变的220kV 出线侧须装设一个单回路电能质量在线监测装置，并将该装置接入电能质量在线监测系统主站以实时监测电能质量的状态，同时在国晶硅业新建工程投产时还需进行电能质量实测确认，以保证接入系统国晶硅业的电能质量达到合格的要求。

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