電解鋁整流供電系統中的無功補償及高次諧波的抑制

李建勇 劉澤

摘要：在如今很多企業為減少開支，首先節約電能的使用，從而降低生產成本。必須對電能的質量有效提升，電解鋁整流供電與無功補償、高次諧波抑制緊密相聯，而加裝濾波補償裝置能有效地無功補償和消除諧波危害。

關鍵詞：動態無功補償；工程應用；電力電子技術；諧波抑制

由于一些大的用電單位對電網的供電質量造成不同程度的影響，產生大量的各種諧波分量，直接影響電網的供電質量，同時，作為一個電解鋁企業，其整流供電的功率因數一旦低于0.9，則直接使設備的輸出功率降低，設備的絕緣發熱老化，效率降低，另外也給電網增加了負擔，降低了電網的輸電能力，所以加裝濾波補償裝置是電解鋁整流供電的一項舉措。

一、高次諧波的危害

由于電網供電電壓并非理想的正弦波，而整流供電二極管的單向導電作用，在正反向電壓作用下，其阻值迥然不同，因而整流裝置從交流電力系統取的電流也是非正弦波的，這種非正弦交流波形根據系統參數，整流裝置相數，接線和運行條件的不同而發生很大畸變，而產生的這些諧波危害極大，主要為：⑴直接危害用電設備的絕緣，降低電氣設備的使用壽命。⑵產生嚴重的電壓波動，使三相不平蘅，容易使電容器擊穿。⑶諧波可以使繼電保護發生誤動作，造成巨大的經濟損失。⑷諧波所產生的電壓閃變，對高精度電子設備產生極大的影響。⑸諧波對人體也產生較大的危害。

二、無功補償與高次諧波抑制的現狀

2.1無功功率補償方法的現狀

無功補償通常采用通常方法和補償裝置兩種，其通常采用的方法有三種：高壓集中補償、低壓集中補償、低壓個別補償。

1.高壓集中補償

相關裝置能夠以負荷大小為參照依據進行適當的自動切換，合理提高用戶功率因數，由此有效避免功率因數有所降低，進而致使電費增多。與此同時，高壓集中補償能夠為其正常運行和日常維護提供便利條件，補償效益較高。

2.低壓集中補償

使無功可就地平衡，接線操作較為簡便，降低了日常運行條件下的維護工作量，提高資源利用率，有效使網損降低，提高經濟效益，當前一般廣泛應用于無功補償領域中。

3.低壓個別補償

該方法投資少，占地小，暗裝操作簡單靈活，日常維護工作也較為簡單，且具有較高安全性。

2.2高次諧波抑制的現狀

在運行中，電容值發生變化是因為濾波裝置的電感不改變，將根據其諧振點進行調試。當電力系統向非線性設備及負荷供電時，諧波系統正弦波形畸變、產生高次諧波的設備和負荷，成為高次諧波源或諧波源。

三、電網中含有諧波情況下的無功補償

3.1對諧波源負載的補償

當電網接有諧波源負載時，不能將補償電容器直接接于電網，因為電容器與電網阻抗形成并聯諧振回路。

在5次諧波頻率下電網具有諧振，并聯阻抗Xp大大升高，由諧波源發出的5次諧波電流流入諧振回路后，會產生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導致電壓波形發生畸變。在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發出的電流的數倍，即諧波放大，此時變壓器和電容器承受大于正常情況的負荷，特別是電容器，長期運行于過負荷狀態，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據電網阻抗和電容器容抗預先計算出并聯諧振頻率，調整電容器容量配置，使并聯諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。

3.2電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路，在諧振頻率下呈現出很低的阻抗（理論上為0）。如果串聯諧振頻率與電網特征諧波頻率一致，則成為純濾波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產生的諧波的大部分流入電網，電容器容量根據預計達到的功率因數值確定。純濾波回路的主要用途是吸收諧波，同時補償基波無功功率。

在串聯諧振狀態下，濾波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可對相關諧波形成“短路”。由于濾波回路在諧振點以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網電感形成并聯諧振回路。如果在這個頻率范圍內沒有特征諧波，則并聯諧振對電網不會產生危害。

當電容器采用△形接線，則濾波回路的諧振頻率一般設定為特征諧波頻率的96%～98%，以便平衡電網的頻率波動和環境溫度變化引起的電容量的改變，濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負荷，多個不同諧振頻率的濾波器在兩個過0點間會出現一個并聯諧振點。

3.3濾波回路的無功功率調節

由于濾波回路的主要任務是吸收電網諧波，所以限制了對基波無功功率進行調節的靈活性，只能對各個回路進行投切，投入的順序為從低次到高次，切除的順序為從高次到低次。對于容量較大的補償濾波裝置，可以采取純濾波回路和失諧濾波回路結合的方法。

如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性，另一個呈容性，則會產生并聯諧振，使諧波放大。

經過經濟技術比較需要采用并聯方式，可以將兩個支路均調為在特征諧波頻率下呈感性，即ωr

如果既要吸收諧波，又要保持調節的靈活性，可以采用并聯支路的方式，即若干個同次濾波回路同時接入電網，各支路的電容同時并聯，形成一個總的濾波回路，調節時可以投切其中的一個或多個并聯支路。

3.4濾波回路的選擇

選擇濾波回路有以下兩個原則：

⑴主要用于吸收諧波，降低電網電壓畸變，基波無功補償居次要位置。

⑵提高電網功率因數，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償的要求配置。

四、結束語

由于一些用電企業對電網造影響，所產生的各種諧波分量，會影響到供電的質量。諧波所產生危險并與之帶來的后果，將對電力系統造成諧波抑制，今后用電解鋁整流供電系統中的無功補償及高次諧波的抑制，才能達到延長使用者設備的壽命，提高品質安全，降低能耗，提高電能利用率等目的。

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（作者單位：包頭鋁業有限公司）