電解鋁整流供電系統(tǒng)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(yè)為減少開支，首先節(jié)約電能的使用，從而降低生產(chǎn)成本。必須對電能的質(zhì)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(lián)，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(guān)鍵詞：動態(tài)無功補償；工程應(yīng)用；電力電子技術(shù)；諧波抑制

由于一些大的用電單位對電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成不同程度的影響，產(chǎn)生大量的各種諧波分量，直接影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，同時，作為一個電解鋁企業(yè)，其整流供電的功率因數(shù)一旦低于0.9，則直接使設(shè)備的輸出功率降低，設(shè)備的絕緣發(fā)熱老化，效率降低，另外也給電網(wǎng)增加了負擔，降低了電網(wǎng)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(wǎng)供電電壓并非理想的正弦波，而整流供電二極管的單向?qū)щ娮饔茫谡聪螂妷鹤饔孟拢渥柚靛娜徊煌蚨餮b置從交流電力系統(tǒng)取的電流也是非正弦波的，這種非正弦交流波形根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，整流裝置相數(shù)，接線和運行條件的不同而發(fā)生很大畸變，而產(chǎn)生的這些諧波危害極大，主要為：⑴直接危害用電設(shè)備的絕緣，降低電氣設(shè)備的使用壽命。⑵產(chǎn)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(fā)生誤動作，造成巨大的經(jīng)濟損失。⑷諧波所產(chǎn)生的電壓閃變，對高精度電子設(shè)備產(chǎn)生極大的影響。⑸諧波對人體也產(chǎn)生較大的危害。

二、無功補償與高次諧波抑制的現(xiàn)狀

2.1無功功率補償方法的現(xiàn)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(guān)裝置能夠以負荷大小為參照依據(jù)進行適當?shù)淖詣忧袚Q，合理提高用戶功率因數(shù)，由此有效避免功率因數(shù)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(wǎng)損降低，提高經(jīng)濟效益，當前一般廣泛應(yīng)用于無功補償領(lǐng)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(xiàn)狀

在運行中，電容值發(fā)生變化是因為濾波裝置的電感不改變，將根據(jù)其諧振點進行調(diào)試。當電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備及負荷供電時，諧波系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備和負荷，成為高次諧波源或諧波源。

三、電網(wǎng)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(wǎng)接有諧波源負載時，不能將補償電容器直接接于電網(wǎng)，因為電容器與電網(wǎng)阻抗形成并聯(lián)諧振回路。

在5次諧波頻率下電網(wǎng)具有諧振，并聯(lián)阻抗Xp大大升高，由諧波源發(fā)出的5次諧波電流流入諧振回路后，會產(chǎn)生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。在電網(wǎng)和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發(fā)出的電流的數(shù)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(tài)，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計算出并聯(lián)諧振頻率，調(diào)整電容器容量配置，使并聯(lián)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(lián)諧振回路，在諧振頻率下呈現(xiàn)出很低的阻抗（理論上為0）。如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)特征諧波頻率一致，則成為純?yōu)V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(chǎn)生的諧波的大部分流入電網(wǎng)，電容器容量根據(jù)預(yù)計達到的功率因數(shù)值確定。純?yōu)V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(lián)諧振狀態(tài)下，濾波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可對相關(guān)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(wǎng)電感形成并聯(lián)諧振回路。如果在這個頻率范圍內(nèi)沒有特征諧波，則并聯(lián)諧振對電網(wǎng)不會產(chǎn)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(shè)定為特征諧波頻率的96%～98%，以便平衡電網(wǎng)的頻率波動和環(huán)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(xiàn)一個并聯(lián)諧振點。

3.3濾波回路的無功功率調(diào)節(jié)

由于濾波回路的主要任務(wù)是吸收電網(wǎng)諧波，所以限制了對基波無功功率進行調(diào)節(jié)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?yōu)V波回路和失諧濾波回路結(jié)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(chǎn)生并聯(lián)諧振，使諧波放大。

經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較需要采用并聯(lián)方式，可以將兩個支路均調(diào)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(diào)節(jié)的靈活性，可以采用并聯(lián)支路的方式，即若干個同次濾波回路同時接入電網(wǎng)，各支路的電容同時并聯(lián)，形成一個總的濾波回路，調(diào)節(jié)時可以投切其中的一個或多個并聯(lián)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(wǎng)電壓畸變，基波無功補償居次要位置。

⑵提高電網(wǎng)功率因數(shù)，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償?shù)囊笈渲谩?/p>

四、結(jié)束語

由于一些用電企業(yè)對電網(wǎng)造影響，所產(chǎn)生的各種諧波分量，會影響到供電的質(zhì)量。諧波所產(chǎn)生危險并與之帶來的后果，將對電力系統(tǒng)造成諧波抑制，今后用電解鋁整流供電系統(tǒng)中的無功補償及高次諧波的抑制，才能達到延長使用者設(shè)備的壽命，提高品質(zhì)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(yè)有限公司）