鋁電解供電系統電能質量研究

，，

（1.淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安 223300；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116；3.淮安供電公司 集體資產運營中心，江蘇 淮安 223300）

1 引言

隨著國民經濟的發展，鋁材的需求越來越多，鋁電解作為鋁材生產的重要一環，需要大量的電力能源。因此供電系統在鋁電解的過程中具有十分重要的地位。對其電能質量進行研究，有利于生產設備的安全、高效運行［1］。

本文結合徐州電解鋁廠實際運行中5次濾波通道電容經常發生故障的問題，對整流電網進行測試與治理研究。

2 鋁電解整流供電網特點

在鋁電解的生產過程中主要是對熔鹽進行電解來獲得其含有的金屬鋁。因此其鋁電解供電網具有以下特點。

1）諧波含量高：由于電壓和功率等方面的限制，目前鋁電解所需要的直流電源大部分采用不可控的整流系統獲得，不可避免的會產生很多高幅值的特征次諧波，在一定工況下有時還會產生非特征次諧波。

2）功率因數低：鋁電解供電網中包含有調壓變壓器、整流變壓器，變壓層數較多，無功需求大，導致功率因數較低。

3）用電量大供電可靠性高：作為鋁電解生產過程中的主要能源，需求量大，且對供電可靠性要求高，一旦停電，整個生產將停止，若停電時間長還會損壞電解槽。

3 測試與分析

3.1 電網結構

該電解鋁廠電網結構如圖1所示。

圖1 電網結構圖Fig.1 Grid structure

系統共3條進線，分別是西進線，東進線和廠內發電機組供電線路。3條進線通過斷路器分別接入母線1和母線2。6臺整流機組中1，3，5號機組接在母線2；2，4，6號機組接在母線1，2臺動力變壓器分別接在兩端母線上。母線1與母線2采用并聯運行方式，全廠的大部分負荷容量由廠內發電機組提供，廠發電機組為135MW。整流變壓器為江西變壓器廠生產的型號為ZHSFPTB89000／110，額定容量89 000kV·A，額定電流467A，額定電壓110／0.828 5kV。整流機組為西安電力電子研究所生產，型號ZES－2×38 kA／1 000V，每個整流機組包含2臺整流器，單臺整流器額定電流為38kA，額定電壓1 000V。按N＋1臺原則選擇整流機組，機組臺數取6臺，其中1臺備用。正常時6臺機組運行；當一組整流機組故障或檢修時，其余5臺機組仍能滿足電解系列正常生產。每臺機組均設有5，7，11次無源濾波通道。

3.2 測試數據

由于鋁廠目前絕大部分負荷由廠內發電機組提供，因此將數據測試點設在發電機組升壓變壓器處。測試儀器采用美國的三相電能質量記錄儀FLUKE1760。110kV母線基準短路容量為750 MW，最小短路容量為1 500MW，公共連接點的供電設備容量為584MW，電壓互感器變比為110 kV／100V，電流互感器變比為1 200A／5A，表1為電壓總諧波畸變率，表2為各次諧波電流值以及根據國標GB－T14549－1993可計算出各次諧波的國家標準，表3為1＃整流器所對應的5次濾波支路主要諧波數據。

表1 電壓總畸變率Tab.1 THD－U

表2 各次諧波電流值Tab.2 The harmonic current value

表3 5次濾波支路主要諧波數據Tab.3 The main harmonic value of 5filter

3.3 數據分析

根據國家標準GB－T14549－1993，110kV各相電壓總諧波畸變率為2%，從測試數據可以看出各相電壓總諧波畸變率均低于2%，公共連接點處的諧波均在國家標準范圍之內，但5次諧波偏大。由于5次濾波通道在整流變壓器2次側與整流裝置并聯，分析其故障原因可能為過流引起，下面計算其實際流過的電流是否超過額定電流。電容額定容量0.7Mvar，額定電壓0.8kV。

根據下式可計算出電容器的額定電流為

5次濾波通道中實際流經電容器的電流根據下式可以得出：

可以看出流經電容的實際電流遠超過其額定值。

4 治理措施研究

要解決這個問題，一種方法是更換電容重新設計5次濾波支路。另外一種方法是撤銷各整流器單獨的濾波通道，在母線處進行集中治理。文章從第2種方法出發研究其治理措施。考慮到要對無功與諧波進行綜合治理，項目中采用混合型有源濾波器系統對電網的無功及諧波進行補償。其中無源濾波器承擔大部分的諧波電流抑制和無功補償任務，有源濾波器則用于改善無源濾波器的濾波效果和抑制無源濾波器可能與電網發生的諧振，保證電網的安全及生產的正常進行［2］。治理點設置在110kV母線上，將各臺整流器的無源濾波通道撤銷。同時混合型有源濾波器設置5，7，11次濾波通道。連接圖如圖2所示。

圖2 混合型有源濾波器連接圖Fig.2 The connection of hybrid power filter

電壓源逆變器輸出電壓通過耦合變壓器連接到無源濾波器的5次濾波支路的電感L5和電容C52兩端（其中C51，C52和L5組成的5次濾波支路，L5與C52調諧在基波頻率。利用L5和C52對基波諧振的特性，使基波電壓極大部分降落在電容C51上，有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，極大地減小了有源濾波器的容量，降低了混合有源濾波器的技術難度和成本，實現了混合有源濾波器在大容量場合的應用［3］。文獻［4］給出了無源濾波器優化配置的方法，文獻［5］給出了有源濾波器容量的計算方法。利用這兩種方法根據已測的數據，確定濾波通道的主要參數如表4所示，有源濾波器的參數如表5所示。

表4 濾波通道主要技術參數Tab.4 Main parameters of filter

表5 有源濾波器參數Tab.5 Parameters of APF

連接電感值為1mH，直流側電容取值為4 000μF／1 000V。耦合變壓器容量為100kV·A，Y－Y12連接方式，變比K＝2。混合型有源濾波器投入后已穩定運行半年。圖3為裝置投入前后電流波形對比，可以看出治理效果良好。經過測量110kV母線功率因數達到0.99，各相電壓總諧波畸變率小于0.23%，電流總諧波畸變率低于1%。

圖3 治理前后電流波形對比Fig.3 Before and after contrast of current

5 結論

鋁電解供電系統中，整流系統大部分采用多重化整流技術，造成各支路諧波嚴重而母線側大部分諧波相互抵消。將混合型有源濾波器安裝在母線上，不僅可降低各濾波通道的容量、提高功率因數，而且可以治理高次諧波，有效降低對公共電網的影響。

［1］吳思波，丁恩杰.電解鋁廠電網獨立運行分析與實踐［J］.煤炭工程，2008（11）：53－54.

［2］鄧占峰，朱東起，姜新建.降低有源部分容量的混合電力濾波器［J］.清華大學學報，2003，43（3）：293－295.

［3］范瑞祥，羅 安，唐杰.諧振注入式有源濾波器數字化控制系統延時研究［J］.中國電機工程學報，2007，27（13）：104－107.

［4］王曉松，劉軍，李中樹.配電網無源濾波器的優化配置［J］.高電壓技術2010，36（9）：23－28.

［5］呂康飛，國芳，石超越，等.注水站電能質量研究［J］.化工自動化及儀表，2010，37（1）：53－55.