離子膜法燒堿整流電源系統(tǒng)中諧波的分析計算與消除措施

方 鵬 郭林娜

(1.寧夏華御化工有限公司,寧夏 中衛(wèi) 755500；2.中石化南京工程有限公司,南京 211100)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性設(shè)備在化工企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，為人們帶來方便的同時，也產(chǎn)生了諧波污染的問題。整流電源系統(tǒng)是為離子膜燒堿工藝中電解食鹽提供電源的，由于其變壓器的特殊性和整流裝置的非線性特征，對整流電源系統(tǒng)的諧波進行分析計算和治理十分必要。筆者以中石化南京工程有限公司新建10萬t/a離子膜燒堿裝置的整流電源系統(tǒng)中的諧波分析計算為例，提出從整流變壓器和可控硅整流柜本身抑制諧波的方法和基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法。

1 諧波限制的規(guī)定和計算①

根據(jù)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)的限制見表1。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)的限制

公共連接點是用戶接入公用電網(wǎng)的連接處，公共連接點的全部用戶在該點的諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過表2規(guī)定的允許值[1]。

表2 注入公共連接點的諧波電流允許值

當電網(wǎng)公共連接點的最小短路容量不同于表2的基準容量時，按下式修正表2中的諧波電流允許值[2]：

(1)

式中Ih——短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，A；

Ihp——表2中的第h次諧波電流允許值，A；

Sk1——公共連接點的最小短路容量，MVA；

Sk2——基準短路容量，MVA。

2 整流電源系統(tǒng)及其典型負荷分析計算

中石化南京工程有限公司新建的10萬t/a離子膜燒堿裝置，設(shè)有5臺ZMBC-2.7A型自然循環(huán)復(fù)極式離子膜電解槽，整流電解負荷約37 110kW。根據(jù)離子膜燒堿電解工藝操作電壓和操作電流的要求，電解整流系統(tǒng)的整流電源由5套整流機組組成，每套機組由一臺有載調(diào)壓整流變壓器和一臺整流柜對應(yīng)組成。有載調(diào)壓整流變壓器的一次電壓為35kV，輸出電流8 655kA；整流柜輸出直流電壓530V，輸出直流電流14kA。整流柜采用可控硅，整流方式采用三相橋式整流非同相逆并聯(lián)接線，調(diào)壓方式采用有載開關(guān)粗調(diào)結(jié)合可控硅細調(diào)，來實現(xiàn)全電壓范圍內(nèi)的電壓調(diào)整。

整流電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其進線分別引自新磷降110kV的總降壓站的兩段母線。

圖1 整流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的電氣設(shè)備和在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備統(tǒng)稱為諧波源。整流電源系統(tǒng)中主要的諧波源為有載調(diào)壓整流變壓器和可控硅整流柜。為了有效消除或減輕諧波對電網(wǎng)的污染，在設(shè)計和建設(shè)整流電源系統(tǒng)時，必須按照國家標準采取抑制或消除諧波的措施。

2.1 整流變壓器

作為整流電源系統(tǒng)用的變壓器稱為整流變壓器。為了提高電能質(zhì)量，整流變壓器的輸出電壓波形是根據(jù)閥側(cè)電壓和裝機容量來確定每臺變壓器在一個周期內(nèi)的脈波數(shù)的，大多數(shù)整流變壓器的脈波數(shù)不小于6。同時，為了彌補電網(wǎng)電壓波動而引起的直流電壓變化，并考慮到負載本身的需要，整流變壓器的閥側(cè)電壓必須能在一個較大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。如食鹽電解負載的電壓調(diào)節(jié)范圍為60%～105%，為了滿足工藝要求，每天的調(diào)壓次數(shù)比較頻繁，個別企業(yè)調(diào)壓次數(shù)甚至高達100次/d。因此，諸如SYXZ型有載開關(guān)使用1～2年就要進行維修和更換。而在實際工業(yè)使用中，為了延長有載開關(guān)的壽命，常采用飽和電抗器和可控硅作細調(diào)。

整流電源系統(tǒng)中一般采用相控調(diào)壓的方式，即在整流電路的閥側(cè)直接控制可控硅整流柜導(dǎo)通的相位角度，可以平滑地調(diào)節(jié)整流電壓的平均值。采用相控調(diào)壓的整流電壓波形如圖2所示，其中eda為整流電壓的平均值；U2為繞組電壓；q為換相次數(shù)；α為相控角。

圖2 采用相控調(diào)壓的整流電壓波形

對于大功率整流設(shè)備，為提高其功率因數(shù)，減少網(wǎng)側(cè)諧波電流，必須提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，在此筆者采用移相方法來實現(xiàn)。移相的目的是使整流變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個相位移，用以提高整流設(shè)備的脈波數(shù)。

當單臺整流變壓器的脈波數(shù)為6時，機組脈波數(shù)P與各臺整流變壓器移相角α之間的組合關(guān)系見表3。

表3 機組脈波數(shù)與各臺整流變壓器移相角度的組合關(guān)系

整流電源系統(tǒng)的變壓器采用移相繞組進行移相，每臺等效為12相，通過移相，其中一組等效為24相，另一組等效為36相。整流電源系統(tǒng)產(chǎn)生的23次諧波電流最大幅值百分數(shù)為4.3%，25次諧波電流的最大幅值百分數(shù)為4.0%，35次諧波電流的最大幅值百分數(shù)為2.9%，37次諧波電流的最大幅值百分數(shù)為2.7%。

2.2 可控硅整流柜

根據(jù)工藝要求，離子膜燒堿首先要電解食鹽。整流電源系統(tǒng)采用可控硅整流柜作為電解設(shè)備的直流電源。這類整流柜需要提供強大的直流電源，并且一旦投運就必須實現(xiàn)連續(xù)供電，不允許停電。可控硅整流柜常用的聯(lián)結(jié)型式是六脈波雙星形帶平衡電抗器聯(lián)結(jié)和三相橋式聯(lián)結(jié)。

在電化學(xué)化工工藝過程中，由于電解槽段的電壓變化和用戶需對電解槽數(shù)目的增、減原因，以及電化學(xué)用換流器的輸出電壓進行調(diào)整?？煽毓枵鞴竦恼{(diào)壓方式有抽頭變壓器、調(diào)壓器、飽和電抗器及各種組合方式等。

在含整流柜的電網(wǎng)中(圖3)，將會出現(xiàn)諧波電流。

諧波電流次數(shù)h=kp±1(其中p為脈波數(shù)，k為正整數(shù))，則第h次諧波電流Ih的占有率為：

(2)

式中f(μ,α)——μ和α的函數(shù)，f(μ,α)≥1；

I1——基波電流；

α——相位控制角；

μ——重疊角。

三相橋式整流柜負荷電流的諧波次數(shù)、諧波電流和占有率(理論最大值)見表4。

表4 三相橋式整流柜負荷電流的諧波次數(shù)、諧波電流和占有率(理論最大值) %

2.3 裝置諧波計算

根據(jù)對電網(wǎng)和氯堿企業(yè)的電能質(zhì)量調(diào)查顯示，老化工企業(yè)接入配電網(wǎng)的諧波超標現(xiàn)象明顯，其中用戶諧波電壓一般不存在超標現(xiàn)象，而諧波電流超標比較普遍，并且對電能質(zhì)量造成明顯影響。因此，對電能質(zhì)量進行預(yù)防性設(shè)計是十分必要的。

35/0.4kV降壓站中，可控硅整流柜采用三相橋式整流，由于其諧波電流次數(shù)為5，7，11，13，17，19，…，為了改善電網(wǎng)的諧波，在整流電源系統(tǒng)設(shè)計時，對變壓器和整流柜進行了綜合考慮。整流柜采用三相橋式整流非同相逆并聯(lián)接線，由于系統(tǒng)有5臺相數(shù)相同的整流裝置，因此給變壓器二次側(cè)設(shè)置適當?shù)南嘟遣?，即變壓器加移相線圈，使得變壓器間有15°的相角差。這樣其中兩臺12脈波整流柜等效為24脈波，另外3臺等效為36脈波[3]。由于整流相數(shù)與諧波次數(shù)密切相關(guān)，整流相數(shù)越多，諧波最低次數(shù)越高，諧波電流越小。因此，最小諧波電流次數(shù)為23次，其理論占有率僅為全電流的0.1%，折算后滿足電能質(zhì)量要求。

110/35kV總降壓站中，整流變電所在公共連接點利用式(1)進行計算，結(jié)果顯示：由整流裝置引起的諧波現(xiàn)象在接入電網(wǎng)時皆滿足國家規(guī)定。采用諧波治理后的諧波電流頻譜如圖4所示。

圖4 采用諧波治理后的諧波電流頻譜

3 諧波消除措施

根據(jù)諧波產(chǎn)生的原因和諧波對電網(wǎng)的危害，結(jié)合實際整流電源系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，消除諧波主要從兩個方面進行。

3.1 整流變壓器繞組移相

對于整流變壓器，抑制諧波的方法之一是對整流變壓器高壓側(cè)(調(diào)變高壓側(cè)或整變高壓側(cè)均可)進行移相。這種方法基本上可以消除幅值較大的低次諧波。一般情況下，如果一套整流裝置有兩臺整流變壓器，則采用等效12相系統(tǒng)。不必專門移相，只需變換繞組的聯(lián)結(jié)方式即可實現(xiàn)諧波的抑制。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、方案成熟、性能可靠、效果明顯、經(jīng)濟且應(yīng)用廣泛。

3.2 整流柜增加脈波

由于諧波電流與整流相數(shù)相關(guān)，相數(shù)越多，諧波含量越低，而且諧波的最低次數(shù)越高，諧波電流越小。因此提高整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)和增加整流柜的整流脈波數(shù)，對消除低次諧波十分有利。同時，對于多臺相數(shù)相同的整流裝置，可以使整流柜的二次側(cè)有適當?shù)南嘟遣睿缭黾右葡嗑€圈。二者的疊加效應(yīng)可以使整流柜的等效脈波數(shù)翻倍，可減少注入電力系統(tǒng)的諧波。此外，還可以采用高功率因數(shù)整流柜，即通過對整流柜本身進行改造，使其盡量不產(chǎn)生諧波，成為電流和電壓同相位的組合裝置，這種整流柜被稱為單位功率因數(shù)變流器。

對于燒堿的直流負載，每噸燒堿耗電約2 000～3 000度，對于10萬t/a離子膜燒堿裝置，每年耗電約2億度。按每度0.5元計，一年消耗的電費為1億元。按照新改造的整流設(shè)備，普遍節(jié)約能耗3%左右，即每年節(jié)約電費300萬元。

以上兩種方法均為改造諧波源本身的諧波抑制方法，如果整流變電所不是單獨設(shè)立的，那么變電所中會有變頻器及充電裝置等其他諧波源，則還需要基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法，包括加裝無源濾波器、有源濾波器[2]、靜止無功補償裝置(SVC)以及多種方法的組合等。

4 結(jié)束語

整流元件的單向?qū)щ娮饔脮鹫餮b置交變磁場波形的畸變。即使供電電網(wǎng)電壓為理想的正弦波，整流裝置從交流電網(wǎng)取用的電流也是非正弦的。這些非正弦電流的流向，除了輸入整流裝置外，也同時反饋到電網(wǎng)。受整流裝置諧波電流污染的電網(wǎng)電壓，反過來對整流裝置從系統(tǒng)中取用的電流波形又有影響，因而諧波電流和諧波電壓是相伴而生、相互影響的。諧波水平是化工企業(yè)電力負荷接入電網(wǎng)前必須考慮的因素，也是供電部門對用戶審核的重要指標。掌握系統(tǒng)中的諧波源及其分布，并有針對性地進行設(shè)計，做到同時設(shè)計、同時施工、同時投入使用的“三同時”原則，既可以從設(shè)備接線方式及系統(tǒng)配線方式等著手有效預(yù)防諧波，也可以為后期增加消除諧波裝置節(jié)省費用。筆者將整流變壓器和可控硅整流柜本身抑制諧波兩種方法，應(yīng)用于中石化南京工程有限公司新建的10萬t/a離子膜燒堿裝置的整流電源系統(tǒng)諧波治理中，取得了良好的經(jīng)濟效益。

[1] GB/T 14594-1993,電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國標準出版社,2004.

[2] 李寵一.淺談石化企業(yè)電氣諧波及治理[J].石油化工設(shè)計,2013,30(2):38～40.