淺談鋁電解諧波治理的專篇設計

吳曉紅, 周 飛

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鋁業股份有限公司，云南 昆明 650000)

淺談鋁電解諧波治理的專篇設計

吳曉紅1, 周 飛2

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鋁業股份有限公司，云南 昆明 650000)

電解鋁行業都要使用大功率的整流機組，這些整流機組產生的大量諧波，對電網污染極大。同時，也會對接在該公用電網中的其它用電設備帶來一些不良的影響甚至危害。因此，在設計或構成一個整流系統時，必須重視諧波治理及無功功率補償的問題，此時一個完善而優良的設計顯得尤為重要。

諧波治理；整流系統設計；大功率整流機組；鋁電解

0 引 言

由于鋁電解諧波治理的重要性及必要性，南方電網要求在項目建設前必須做諧波治理專篇設計，然而目前國家對其內容及要求尚無統一規定，設備招、投標時，其內容及計算方法也五花八門，無統一的標準，給專篇的審查及設備招、投標工作帶來了極大不便。該文根據工程的實際經驗，按照南方電網要求對諧波治理設計內容及要求做一個簡單的概述以供設計人員參考。

1 諧波治理的重要性

鋁電解的整流設備容量很大，被稱為“電老虎”，由于大量采用電力電子變流技術而不可避免的產生大量諧波，是電力系統主要諧波源之一。而自動穩流是目前廣泛應用的一種整流技術，能對鋁廠帶來可觀的經濟效益，但其帶來的負面影響就是諧波電流明顯增加，大量諧波電流注入電網將造成電壓畸變，供電質量下降，嚴重危害發、供電設備和用電設備，被稱之為電力公害，其影響范圍和距離遠比一個工廠對大氣環境的污染還要大，還要遠。嚴重影響整流和供電設備的正常運行。同時,也會對接在該公用電網中的其他用電設備帶來影響甚至危害。因此，在設計或構建一個整流系統時，必須重視諧波治理的問題。

2 設計內容及要點

2.1項目概述

包括工藝概況和供電系統概述。供電系統概述著重闡述供電系統參數(含短路容量、供、用電容量等)和線路參數(含線路長度、導線截面等)、整流變壓器詳細參數(含整流變壓器臺數、短路阻抗、繞組型式、移相角等)、供電負荷情況及計算等。

2.2設計依據及標準

專篇的設計嚴格遵循國家現行的標準及規范。

2.3應達到的技術指標

根據電能質量國家標準和要求，用戶220 kV整流機組在不同運行方式下，諧波電壓、諧波電流和功率因數應達到如下技術指標：

1)諧波電壓允許值

根據GB/T 14549-93 《電能質量—公用電網諧波》的規定，供電系統允許電壓(相電壓)畸變率見表1。

表1 公用電網諧波電壓允許值

2)諧波電流允許值

注入系統公共連接點(P.C.C點)220 kV母線的各次諧波電流應滿足GB/T 14549-93《電能質量—公用電網諧波》的要求。

3)功率因數的要求

根據供用電規則第4.3條的規定和用戶需要，整流機組經補償后其功率因數在正常運行方式下應為220 kV側功率因數: 0.95≤cosφ≤1.0。

2.4220 kV側電能質量分析

對大功率三相全控橋6脈整流裝置來說，產生的特征諧波為6N±1次，即在閥側的特征次數為5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次等，以5次、7次諧波分量最大，其中以5次最大，7次次之，依次遞減。網側PCC點產生的特征諧波同閥側。整流變壓器組帶移相繞組并聯運行可組成12脈波，網側特征次數為11次、13次、23次、25次等，以11次、13次最大。

以某鋁電解項目為例，正常運行時為6臺整流變壓器運行，最惡劣的情況為4臺整流變壓器同時運行，此時能夠勉強維持生產。6套整流機組的相控角為：±2.5°、±7.5°、±12.5°，正常情況下，6套整流機組同時運行時，構成對稱72相橋運行，全部6套整流器機組產生的諧波疊加后的低次諧波含量變小。當有1套整流機組停機維護時，5套整流器機組便構成非對稱60相橋運行，4套整流器機組運行時，構成非對稱48相橋運行，在這種情況下，即使不考慮各種非對稱因素的影響，全部整流器機組產生的諧波疊加后的諧波量仍然較大。

為此，專篇設計需分析未治理前各種機組運行方式運行時的諧波特性，提供各種機組運行方式運行時的整流機組注入電網的諧波電流及諧波電壓畸變率,給出各種運行工況的仿真結果并對各種運行方式下的電能質量進行比較。

2.5整流器機組濾波補償裝置技術方案

1)單臺整流變補償容量的確定

為了滿足電力部門對用戶的供電要求，保證電解鋁廠的功率因數達到要求是關鍵，也是設計需要達到的一個主要技術指標。補償容量與很多因素有關，按整流變壓器最大補償能力，飽和電抗器線性、系統截止頻率、單臺電容器電壓暫為固定計算，所需要的無功補償容量根據以下公式計算：

Q =P(tgΦ1-tgΦ2)

式中： P為有功功率；

Q為需要補償的無功容量；

cosΦ1、cosΦ2為補償前、后的功率因數。

2) FC參數的確定

根據整流裝置的運行工況，應按正常運行方式考慮各套整流機組的濾波補償方案。設計的濾波補償裝置，須同時兼顧諧波濾波和功率因數補償雙重職責，應按如下原則設計：①根據諧波電流超標情況，確定濾波支路數量；②根據諧波電流的大小，確定各個濾波支路的有效容量；③根據濾波支路的安全性，確定各個濾波支路的電容器額定電壓；④根據串、并聯臺數以及保護方式，確定各個濾波支路的單臺電容器容量；⑤根據多個仿真計算的結果，確定各個濾波支路的最終詳細參數。

電容器組額定電壓的選取考慮下列因素：①串聯電抗器引起的濾波電容器工頻電壓升高；②接入點的系統最高運行電壓；③諧波引起的電容器電壓升高；④相間和串聯段間的電壓分配不均勻。

根據以上幾點，可計算出各個濾波支路的最終參數。

對單調諧濾波電容器的額定電壓可采用下式進行計算:

式中：Ue為濾波電容器額定電壓(kV)；

n為諧波次數；

In為流過濾波器的n次諧波電流(A)；

Il為流過濾波器的基波電流(A)；

Us為當濾波器投入時電網最高運行電壓(kV)。

對濾波電容器最小安裝容量可采用下式進行計算:

式中：Smin為濾波電容器最小安裝容量(MVA)；

Ul為濾波器母線基波相電壓(kV)；

In為流過濾波器的n次諧波電流(kA)；

n為諧波次數。

對濾波電容器容量利用率最高時的安裝容量可采用下式進行計算:

式中：Sn為濾波電容器容量利用率最高時所需的安裝容量(MVA)。

2.6各工況諧波治理效果分析

應根據供電系統參數、負荷參數和濾波器參數，建立諧波潮流計算網絡，利用專用計算機仿真程序進行諧波潮流和諧波阻抗的計算和分析；提供各工況下濾波補償裝置投入后注入系統220 kV側的各次諧波電流值及220 kV母線電壓總畸變率；提供濾波補償裝置投入后220 kV側電壓、電流波形并對以上結果進行分析。

2.7運行安全穩定性

1)給出各運行工況的最小、最大運行方式下，220 kV/110 kV/35 kV側幅頻特性分析，避免因變壓器阻抗轉移引起的諧振導致諧波放大增加。

2)提供單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核。

濾波支路投入后引起的電壓波動按照以下計算公式計算：

式中：dmax為濾波支路投入后引起的電壓波動值；

S為220 kV母線短路容量；

Q為單組濾波器補償容量。

當各個濾波支路投入時，引起的電壓波動應滿足GB 12326-2008《電能質量—電壓波動和閃變》規定的電壓波動限值。

2.8濾波補償裝置安全性能分析

當電容器承受的電氣條件超出其耐受能力，電容器可能會出現擊穿、膨脹甚至爆炸事件，所以電容器的安全運行是令人關注的。為了保證濾波電容器所承受的電氣條件在其耐受能力范圍內，需通過過電流、電壓2項安全性能校驗。確保各運行工況下，所有支路過電流倍數均小于電容器額定電流的1.3倍，所有支路過電壓倍數均小于電容器額定電壓的1.1倍，保證各濾波補償裝置支路都能安全運行。

1)過電流校驗

濾波電容器的過電流校驗公式如下：

式中：ICN為濾波電容器的額定電流；

IC1為濾波電容器的基波電流；

ICh為濾波電容器的諧波電流。

2)過電壓校驗

濾波電容器的過電壓校驗公式如下：

UC1+∑UCh≤1.1UCN

式中：UCN為濾波電容器的額定電壓；

UC1為濾波電容器的基波電壓；

UCh為濾波電容器的諧波電壓。

3 設計需特別注意的部分

1)諧波電流允許值：諧波電流限值應按最小短路容量和供電設備容量進行折算，而不能以基準短路容量下的諧波電流限值為考核標準。

2)仿真計算結果：應提供治理前、后各種機組運運行工況時，整流機組注入電網的諧波電流及諧波電壓畸變率,并給出各種運行工況的仿真結果。

3)FC參數的確定：專篇中應給出依據各次諧波電流大小確定各濾波支路無功補償量計算過程。

4)單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核：單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核應分別按最小、最大運行方式下各個濾波器組投入后在220 kV母線引起的電壓波動考慮。

5)濾波電容器必須通過過電流、過電壓校驗。

4 結 語

筆者在某電解鋁項目諧波治理專篇設計時與電力部門多次溝通協商，充分了解電力部門的要求，按照以上內容和深度編制了諧波治理專篇。實踐證明，一個內容完善而優良的諧波治理專篇設計，不僅給專篇的審查帶來了便利，同時也給后續設備招、投標工作提供了理論依據，對電網以及整流和供電設備的正常運行提供了有力的保障。因此，加強和規范諧波治理的專篇設計具有重大的意義。

[1] 國家能源局.DL/T 5242-2010 35kV-220kV變電站無功補償裝置設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 12326-2008 電能質量-電壓波動和閃變[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] 國家技術監督局.GB/T 14549-93 電能質量—公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1994.

[4] 劉懺斌,等.硅整流所電力設計[M].北京：冶金工業出版社，1983.

Design concerning Harmonic Suppression in Aluminium Electrolysis

WU Xiaohong1, ZHOU Fei2

(1.Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co., Ltd., Kunming 650051, China;2.Yunnan Aluminium Co., Ltd., Kunming 650000, China)

Numerous rectifier units were used in electrolytic aluminium industry and plent of harmonic waves were produced, causing great electric network pollution and exerting adverse influence on other uses in the public electric network. Consequently, the harmonic suppression and reactive power compensation must be paid great attention in designing a rectification system. And a complete and excellent design is very important.

harmonic suppression; rectifier system design; high-power rectifier unit; aluminium electrolysis

2015-09-05.

吳曉紅(1965-)，女，云南人，高級工程師.主要研究方向：供配電及電氣自動化設計. E-mail：543061146@qq.com.

TM72

A

1004-2660(2016)01-0041-04