電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足的控制研究

覃國林

電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足的控制研究

覃國林

（中國鋁業股份有限公司廣西分公司，廣西 平果 531400）

伴隨著市場經濟的不斷增長，社會對于工業生產的需求量越來越高，而隨著生產量的提升，現有的生產設備已經無法滿足現有的生產需求。在這一基礎上，為了能夠更好地提升社會生產力，首先需要做到的就是更好地提升工業生產中各項設備應用價值，只有確保生產設備的運行質量，才能更好地提升生產效率。鑒于此，文章以某鋁業公司生產的電解鋁整流機組諧波濾波器為例，對電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足的控制這一內容進行了一系列詳細的研究和分析，完成不同電解鋁整流機組諧波濾波器相關運行參數統計對比分析工作，旨在提升工業生產效率。

電解鋁整流機組；諧波濾波器；品質因數；功率因數

引言

在工業生產過程中，電網輸送同設通常是保障整個晶閘變流設備正常運行的基礎設施。通常情況下，當工業生產中電網使用用戶的晶閘變流設備面向電網進行傳輸諧波之時，供電設備上的電度表會比平常時期的實際參數值高出大概幾個百分點的狀況出現，如果此時功率因數出現降低的情況，那么上述狀況將會更加明顯。與此同時，部分生產企業在生產的過程中開展各類生產設備的管理工作的較果也并不理想，導致各種影響生產效率的問題頻發。基于此，針對電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足的控制這一課題展開深入的研究具有一定的現實意義。

1 電解鋁整流機組諧波濾波器基本參數簡介

某鋁業生產企業一期、二期生產過程中的4臺額定容量下的整流變參數為75 MVA，在技術層面的相關數據參數為：（1）調變時一種79級別的調壓移相自耦類型的變壓器，該種變壓器的變壓調至參數范圍是25 kV～10.5 kV之間[1]。（2）4臺整流變調變移相角度分別設置成不同參數值，其一是-11.25°，其二是-3.75°，其三是+3.75°，其四是+11.25°。在主變聯接號的設定上，分別是Y/YO+Y/Δ11，二次Y組中的繞組和Δ然組中的輸出量分配上，兩組各一半，與此同時，對于整流輸出的直流電壓主要為0 V～1150 V，對于額定輸出電流的規定，則限定未參數56 kA。對于調變的三角形聯接10 kV繞組，為了能夠實現更加有效的更改因數目標，需要進行諧波濾波裝置。

在運行的工作原理上，某鋁業生產企業一期、二期生產過程中的機組主要采用的是RLC結構的濾波器，三相Y聯接主要與調變的第三組繞組相互聯接，在電容的設定上，需要保持為3組的運行數量，然后按照工業中變壓器實際生產需求狀況開展高效的投切操作[2]。在兩種濾波器的參數設定上主要采用的是表1中的設定內容。

表1 兩種濾波器參數值設定情況

2 電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足相關研究

2.1 電解鋁整流機組諧波和功率因素探討

在整流機組中，主變是Y/Y-12+Y/Δ-11形式的聯接，才能形成后續的12脈沖整流器。通常情況下，每一臺機組都會需要面向電網進行12 k±1次數的諧波電流輸送工作[3]。研究所用的4臺機組雖然相互之間具有一定的移相并聯關系，但是由于受到設備真實運行狀況的影響，產生的負荷也并不相同。所以在這一前提下，整個整流機組系統面向外部電網所輸送的諧波計算參數會選擇為12 k±1這一標準進行研究。一般而言，在進行單臺機組的滿負荷運行管理期間，機組的主要輸出電流會是56 kA，電壓的參數設定為1100 W[4]。此時，飽和的電抗器帶有65 V的降壓空間。如果整流變Y/y聯接閥是將U2作為側向電壓，那么飽和時的電抗器一旦電壓下降為0時，則輸出的直流電壓數值就會成為Ud=1165 V。

在二極管整流電路中，飽和電壓器的壓降功能所發揮的作用與晶閘觀可以控制的整流中換相延遲角度為α[5]。在這一前提下，如果飽和電壓器的壓降是65 V，此時的閥側相電壓的參數值保持不變,而電壓的直流輸出數值需要保證在1100 V左右，依照公式Ud=2.34U2cos能夠計算得出：

α=arcos*(Ud/2.34U2)=19.3°

根據圖1中的電解鋁整流機組運行內容進行分析之后,其內的所有臺機組整流完成輸出的電流均為直流，平均參數值2Id，Y與Δ側都是只承擔一半的電流，其中，不同的組別需要輸出相同的電流Id=28 kA。當自耦變從最初的一次變化至整流閥側y聯接后的總體電壓比參數為下述公式內容：

圖1 移相30°并聯聯結12脈波整流電路以及電流的波形

其中，ia1代表的是整流變閥側Y；ia2代表的是Δ聯接線電流；iab2代表的是Y、Δ聯接組閥側；ia2代表的是網側相電流；iA代表的是整流變網側總體電流。

2.2 變壓器磁化非線性諧波和功率因素探討

當電解鋁整流機組在進行正常運行時，由于其中的變壓器構件受到鐵心磁化的非線性影響，Y形連接整流變調變側通常會出現3倍次諧波勵磁電流，與此同時，勵磁電流也會以5%～10%的5次諧波分量的形勢輔助設備正常運行[6]。在加上變壓器自身要求配置無功電流，所以會在變壓器的繞組上出現一定程度的漏感覺。在這一基礎上，如果二次負載的功率因數出現小于1的狀況，那么設備的變壓器在總體功率因數的輸出上就會產生滯后的問題，并且一直保持小于1的狀態。

由于上述因素的出現，每一個單獨的12脈波整流變壓器的功率因數都低于0.9。在這一前提下，為了能夠最大程度滿足生產過程中的電網需求，通常需要在整流變壓器自耦變三角形聯接之處的第三繞組之外另行添加諧波濾波器設備，進行輔助生產，提升工業生產的作業效率。

3 電解鋁整流機組諧波濾波器相關運行參數計算

當進行電解鋁整流機組諧波濾波器相關運行參數計算時，首先需要進行諧波補償前網側所需求的感性電流，其計算過程為I1L=I1sinα=329*sin19.3。=108.5 A。

求出其中的I′3的具體數值為45.6 A。與此同時，當自耦變進行依次Y聯結時，第三繞組會與Δ聯接為10 kV，此種狀況下的變比是：

此時第3繞組需要為容性線正常運行提供有效的相應的電流，該部分電流的計算主要應用下列公式完成：

在上述公式應用基礎上，能夠快速計算出濾波器的n次諧波阻抗數值，具體計算過程如下：

通過上述的計算能夠得出，單臺的機組諧波次數時12 k±1。但是，由于已經存在鐵心勵磁生成的5次與7次諧波，所以濾波器的諧振頻率需要保持在7次左右，品質因數Q的取值在0.5～5之間，如果Q越大，那么調諧銳度就會增大，而諧波頻率與諧振頻率越多時，諧波的阻抗增長數值也會隨之加速，繼而影響到其他高次諧波的不補償工作完成。

4 不同電解鋁整流機組諧波濾波器相關運行參數統計對比分析

在某鋁業生產企業一期、二期單臺機組正常運行過程中，將其投入到不同的電容組之后，相應的阻抗、諧振頻率（f0/Hz）、品質因數（Q）以及功率因數（λ）都產生了相應的變化。具體的參數變化情況為表2中內容。

表2 某鋁業生產企業一期、二期機組中的各類參數變化情況

通過對表2中內容進行分析之后能夠得出，一期機組的濾波器共投入兩組電容器后，功率因數的實際數值能夠達到0.92，而投入3組之后的功率因數實際數值能夠達到0.95。二期機組的濾波器共投入兩組電容器后，功率因數的實際數值能夠達到0.90，而投入3組之后的功率因數實際數值能夠達到0.93。由此可見，如果兩種電容器所投入的實際組數之間不相同，但是其具備的電容量卻并未發生改變，而且是處于基本相等的狀態，在電感量方面的差異性也可以忽略，僅是在補償效果方面存在著較大的差異性。

通過上述分析，能夠明顯發現，二期濾波器的品質因數高出0.5～5這一范圍內的經驗數值，高頻次諧波的阻抗效果也顯著高出濾波器。這一結果代表著二期濾波器并未實驗研究之初設定的功率補償理想效果，而導致不理想效果出現的原因主要是在于濾波器設備的固有的電阻太大，導致品質因數出現負面加大的問題出現，從而出現諧波阻抗總體較大的狀況，諧波的電流收到補償不足的威脅，導致基波因數過小[7]。與此同時，因為只將2組電容器投入到運行中，也會對位移因數變化的補償造成一定的供應不足問題。

當實際投入2組電容時，濾波器的工頻阻抗時15.44∠90°，將這一結果進行折算整合后，能夠得出如下整流變網側的容性電流：

I3=U3/3k13Z3=10000/3*15.5*6.64=32.4A

功率補償之前，網側需要為其提供一定的感性電流，該部分電流的數值需要保持為108 A。功率補償之后，網側也需要為其提供一定的感性電流，該部分電流的數值需要保持為76 A，此種狀態下的基波電流計算數值為：

I1==319A

此時的位移數值計算公式為：

在進行3組電容的研究時，濾波器的工頻阻抗時10.2∠90°，與其相對應的位移因數是cosα=0.987。經過針對研究過程能夠發現，如果解鋁整流機組在正產運行時所投入的電容器數量出現不足，也會在一定程度上影響功率因數出現偏低的情況出現概率[8]。在這一基礎上，如果想要更好地提升現有功率因數，可行性比較不錯的方案就是針對二期濾波器進行有效的改進。具體的改進方法如下。

首先，將由鎳鉻電阻絲纏繞成為12 Ω的電阻板R從電阻板的中間部位引線實現電阻并聯，將電阻的數值提升至6 Ω，但是相應的功率不變，依舊是3 Ω。具體的變化如表3所示。

表3 電阻R取值為3Ω時諧波阻抗與品質因數值

通過表3中的研究參數更改，經過實際操作實驗后的數據整理得出，當2組電容器進行改進后，功率因數從0.91上升至0.94；當2組電容器進行改進后，功率因數從0.92上升至0.96，上升的效果比較明顯。

5 結束語

綜上所述，隨著對于工業生產方面的研究深入，電網的應用價值必然也會逐漸增大，在這一基礎上開展電解鋁整流機組諧波濾波器功率因素補償不足的控制研究和優化，不僅能夠提升現有生產效率，而且對于電解鋁整流機組應用的科技水平提升也具有重要的促進作用。

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Research on Control of Insufficient Power Factor Compensation of Harmonic Filter in Electrolytic Aluminum Rectifier Unit

With the continuous growth of market economy, the social demand for industrial production is higher and higher. With the increase of production, the existing production equipment can not meet the existing production demand. On this basis, in order to better improve social productivity, the first thing to do is to better improve the application value of various equipment in industrial production. Only by ensuring the operation quality of production equipment can we better improve production efficiency. In view of this, taking the harmonic filter of electrolytic aluminum rectifier unit produced by an aluminum company as an example, this paper makes a series of detailed research and analysis on the control of insufficient power factor compensation of harmonic filter of electrolytic aluminum rectifier unit, and completes the statistical comparison and analysis of relevant operating parameters of harmonic filter of different electrolytic aluminum rectifier units, in order to improve industrial production efficiency.

electrolytic aluminum rectifier unit; harmonic filter; quality factor; power factor

TN713

A

1008-1151(2022)04-0072-03

2022-01-19

覃國林（1969－），男，中國鋁業股份有限公司廣西分公司生產技術部主管，工程師，研究方向為有色金屬冶煉生產電力系統技術及管理。