浅谈铝电解谐波治理的专篇设计

吴晓红, 周 飞

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南铝业股份有限公司，云南 昆明 650000)

浅谈铝电解谐波治理的专篇设计

吴晓红1, 周 飞2

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南铝业股份有限公司，云南 昆明 650000)

电解铝行业都要使用大功率的整流机组，这些整流机组产生的大量谐波，对电网污染极大。同时，也会对接在该公用电网中的其它用电设备带来一些不良的影响甚至危害。因此，在设计或构成一个整流系统时，必须重视谐波治理及无功功率补偿的问题，此时一个完善而优良的设计显得尤为重要。

谐波治理；整流系统设计；大功率整流机组；铝电解

0 引 言

由于铝电解谐波治理的重要性及必要性，南方电网要求在项目建设前必须做谐波治理专篇设计，然而目前国家对其内容及要求尚无统一规定，设备招、投标时，其内容及计算方法也五花八门，无统一的标准，给专篇的审查及设备招、投标工作带来了极大不便。该文根据工程的实际经验，按照南方电网要求对谐波治理设计内容及要求做一个简单的概述以供设计人员参考。

1 谐波治理的重要性

铝电解的整流设备容量很大，被称为“电老虎”，由于大量采用电力电子变流技术而不可避免的产生大量谐波，是电力系统主要谐波源之一。而自动稳流是目前广泛应用的一种整流技术，能对铝厂带来可观的经济效益，但其带来的负面影响就是谐波电流明显增加，大量谐波电流注入电网将造成电压畸变，供电质量下降，严重危害发、供电设备和用电设备，被称之为电力公害，其影响范围和距离远比一个工厂对大气环境的污染还要大，还要远。严重影响整流和供电设备的正常运行。同时,也会对接在该公用电网中的其他用电设备带来影响甚至危害。因此，在设计或构建一个整流系统时，必须重视谐波治理的问题。

2 设计内容及要点

2.1项目概述

包括工艺概况和供电系统概述。供电系统概述着重阐述供电系统参数(含短路容量、供、用电容量等)和线路参数(含线路长度、导线截面等)、整流变压器详细参数(含整流变压器台数、短路阻抗、绕组型式、移相角等)、供电负荷情况及计算等。

2.2设计依据及标准

专篇的设计严格遵循国家现行的标准及规范。

2.3应达到的技术指标

根据电能质量国家标准和要求，用户220 kV整流机组在不同运行方式下，谐波电压、谐波电流和功率因数应达到如下技术指标：

1)谐波电压允许值

根据GB/T 14549-93 《电能质量—公用电网谐波》的规定，供电系统允许电压(相电压)畸变率见表1。

表1 公用电网谐波电压允许值

2)谐波电流允许值

注入系统公共连接点(P.C.C点)220 kV母线的各次谐波电流应满足GB/T 14549-93《电能质量—公用电网谐波》的要求。

3)功率因数的要求

根据供用电规则第4.3条的规定和用户需要，整流机组经补偿后其功率因数在正常运行方式下应为220 kV侧功率因数: 0.95≤cosφ≤1.0。

2.4220 kV侧电能质量分析

对大功率三相全控桥6脉整流装置来说，产生的特征谐波为6N±1次，即在阀侧的特征次数为5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次等，以5次、7次谐波分量最大，其中以5次最大，7次次之，依次递减。网侧PCC点产生的特征谐波同阀侧。整流变压器组带移相绕组并联运行可组成12脉波，网侧特征次数为11次、13次、23次、25次等，以11次、13次最大。

以某铝电解项目为例，正常运行时为6台整流变压器运行，最恶劣的情况为4台整流变压器同时运行，此时能够勉强维持生产。6套整流机组的相控角为：±2.5°、±7.5°、±12.5°，正常情况下，6套整流机组同时运行时，构成对称72相桥运行，全部6套整流器机组产生的谐波叠加后的低次谐波含量变小。当有1套整流机组停机维护时，5套整流器机组便构成非对称60相桥运行，4套整流器机组运行时，构成非对称48相桥运行，在这种情况下，即使不考虑各种非对称因素的影响，全部整流器机组产生的谐波叠加后的谐波量仍然较大。

为此，专篇设计需分析未治理前各种机组运行方式运行时的谐波特性，提供各种机组运行方式运行时的整流机组注入电网的谐波电流及谐波电压畸变率,给出各种运行工况的仿真结果并对各种运行方式下的电能质量进行比较。

2.5整流器机组滤波补偿装置技术方案

1)单台整流变补偿容量的确定

为了满足电力部门对用户的供电要求，保证电解铝厂的功率因数达到要求是关键，也是设计需要达到的一个主要技术指标。补偿容量与很多因素有关，按整流变压器最大补偿能力，饱和电抗器线性、系统截止频率、单台电容器电压暂为固定计算，所需要的无功补偿容量根据以下公式计算：

Q =P(tgΦ1-tgΦ2)

式中： P为有功功率；

Q为需要补偿的无功容量；

cosΦ1、cosΦ2为补偿前、后的功率因数。

2) FC参数的确定

根据整流装置的运行工况，应按正常运行方式考虑各套整流机组的滤波补偿方案。设计的滤波补偿装置，须同时兼顾谐波滤波和功率因数补偿双重职责，应按如下原则设计：①根据谐波电流超标情况，确定滤波支路数量；②根据谐波电流的大小，确定各个滤波支路的有效容量；③根据滤波支路的安全性，确定各个滤波支路的电容器额定电压；④根据串、并联台数以及保护方式，确定各个滤波支路的单台电容器容量；⑤根据多个仿真计算的结果，确定各个滤波支路的最终详细参数。

电容器组额定电压的选取考虑下列因素：①串联电抗器引起的滤波电容器工频电压升高；②接入点的系统最高运行电压；③谐波引起的电容器电压升高；④相间和串联段间的电压分配不均匀。

根据以上几点，可计算出各个滤波支路的最终参数。

对单调谐滤波电容器的额定电压可采用下式进行计算:

式中：Ue为滤波电容器额定电压(kV)；

n为谐波次数；

In为流过滤波器的n次谐波电流(A)；

Il为流过滤波器的基波电流(A)；

Us为当滤波器投入时电网最高运行电压(kV)。

对滤波电容器最小安装容量可采用下式进行计算:

式中：Smin为滤波电容器最小安装容量(MVA)；

Ul为滤波器母线基波相电压(kV)；

In为流过滤波器的n次谐波电流(kA)；

n为谐波次数。

对滤波电容器容量利用率最高时的安装容量可采用下式进行计算:

式中：Sn为滤波电容器容量利用率最高时所需的安装容量(MVA)。

2.6各工况谐波治理效果分析

应根据供电系统参数、负荷参数和滤波器参数，建立谐波潮流计算网络，利用专用计算机仿真程序进行谐波潮流和谐波阻抗的计算和分析；提供各工况下滤波补偿装置投入后注入系统220 kV侧的各次谐波电流值及220 kV母线电压总畸变率；提供滤波补偿装置投入后220 kV侧电压、电流波形并对以上结果进行分析。

2.7运行安全稳定性

1)给出各运行工况的最小、最大运行方式下，220 kV/110 kV/35 kV侧幅频特性分析，避免因变压器阻抗转移引起的谐振导致谐波放大增加。

2)提供单组滤波器投切引起的电压波动计算校核。

滤波支路投入后引起的电压波动按照以下计算公式计算：

式中：dmax为滤波支路投入后引起的电压波动值；

S为220 kV母线短路容量；

Q为单组滤波器补偿容量。

当各个滤波支路投入时，引起的电压波动应满足GB 12326-2008《电能质量—电压波动和闪变》规定的电压波动限值。

2.8滤波补偿装置安全性能分析

当电容器承受的电气条件超出其耐受能力，电容器可能会出现击穿、膨胀甚至爆炸事件，所以电容器的安全运行是令人关注的。为了保证滤波电容器所承受的电气条件在其耐受能力范围内，需通过过电流、电压2项安全性能校验。确保各运行工况下，所有支路过电流倍数均小于电容器额定电流的1.3倍，所有支路过电压倍数均小于电容器额定电压的1.1倍，保证各滤波补偿装置支路都能安全运行。

1)过电流校验

滤波电容器的过电流校验公式如下：

式中：ICN为滤波电容器的额定电流；

IC1为滤波电容器的基波电流；

ICh为滤波电容器的谐波电流。

2)过电压校验

滤波电容器的过电压校验公式如下：

UC1+∑UCh≤1.1UCN

式中：UCN为滤波电容器的额定电压；

UC1为滤波电容器的基波电压；

UCh为滤波电容器的谐波电压。

3 设计需特别注意的部分

1)谐波电流允许值：谐波电流限值应按最小短路容量和供电设备容量进行折算，而不能以基准短路容量下的谐波电流限值为考核标准。

2)仿真计算结果：应提供治理前、后各种机组运运行工况时，整流机组注入电网的谐波电流及谐波电压畸变率,并给出各种运行工况的仿真结果。

3)FC参数的确定：专篇中应给出依据各次谐波电流大小确定各滤波支路无功补偿量计算过程。

4)单组滤波器投切引起的电压波动计算校核：单组滤波器投切引起的电压波动计算校核应分别按最小、最大运行方式下各个滤波器组投入后在220 kV母线引起的电压波动考虑。

5)滤波电容器必须通过过电流、过电压校验。

4 结 语

笔者在某电解铝项目谐波治理专篇设计时与电力部门多次沟通协商，充分了解电力部门的要求，按照以上内容和深度编制了谐波治理专篇。实践证明，一个内容完善而优良的谐波治理专篇设计，不仅给专篇的审查带来了便利，同时也给后续设备招、投标工作提供了理论依据，对电网以及整流和供电设备的正常运行提供了有力的保障。因此，加强和规范谐波治理的专篇设计具有重大的意义。

[1] 国家能源局.DL/T 5242-2010 35kV-220kV变电站无功补偿装置设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.GB 12326-2008 电能质量-电压波动和闪变[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3] 国家技术监督局.GB/T 14549-93 电能质量—公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[4] 刘忏斌,等.硅整流所电力设计[M].北京：冶金工业出版社，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.

吴晓红(1965-)，女，云南人，高级工程师.主要研究方向：供配电及电气自动化设计. E-mail：543061146@qq.com.

TM72

A

1004-2660(2016)01-0041-04