电解铝用高效感应滤波整流供电系统分析

王灿 宁志毫 张可人 张斌 罗潇 左剑

摘 要：电解铝整流供电系统会产生大量的谐波与无功，不仅造成严重的电能质量问题，同时影响系统的运行效率。针对电解铝整流供电系统供电电压高、容量超大、整流变压器阀侧绕组电压低电流超大等特点，提出了一种适用于电解铝的新型感应滤波整流供电系统。相比传统整流供电系统，新系统在改善电能质量的同时，能够有效的缩短谐波及无功的流通路径，从而达到节能降耗的目的。新系统具有特殊的拓扑结构，并且为实现感应滤波技术，整流变压器的滤波绕组等值漏阻抗设计为零。理论分析了新系统的谐波传递特性和无功补偿特性。给出了样机试验分析，测试结果验证了理论分析的正确性，说明新型电解铝整流供电系统在谐波抑制、无功补偿以及节能等方面所具有的优势。

关键词：整流；谐波抑制；感应滤波；无功补偿；节能

DOI： 10.15938/j.emc.2017.07.000

中图分类号：TM 72 文献标志码：A 文章编号：1007 -449X（2017）07-0000-00

Analysis on efficient rectifier power supply system for electrolytic aluminium based on inductive filtering method

WANG Can， NING Zhi-hao， ZHANG Ke-ren， ZHANG Bin， LUO Xiao， ZUO Jian

（State Grid Hunan Electric Power Company Research Institute， Changsha 410007， China ）

Abstract： A lot of harmonics and reactive powers which lead to various power quality problems and greatly reduce the systems operating efficiency are produced in the rectifier power supply system for electrolytic aluminium. According to the characteristics of the rectifier power supply system for electrolytic aluminum including high supply voltage， super large capacity， and low voltage and very big current at the valve side of the rectifier transformer， a new rectifier power supply system based on inductive filtering method suitable for electrolytic aluminum is presented in this paper. Compared with the traditional rectifier power supply system， in the new system， not only the power quality can be improved， but also the flowing path of the harmonics and reactive powers can be reduced， so energy-saving can be achieved. The new system has a special topology and the filtering windings leakage impedance of the rectifier transformer is designed to zero for implementation of the inductive filtering technology. Some characteristics are theoretically analyzed including harmonic transfer and reactive power compensation. The testing results not only verify the correctness of the theoretical analysis but also illustrate that the new rectifier power supply system has some superiority in harmonic suppression， reactive power compensation and energy saving.

Keywords： rectifier； harmonic suppression； inductive filtering； reactive power compensation； energy saving

0 引 言

目前，電解铝的每吨电耗大约为13 000～16 000度，为高耗能产业，2012年我国电解铝产量为 2 026.7万吨，同比增长12.2%，消耗电能高达3 000亿度。经调研测试，电解铝整流供电系统的效率一般为95%～97%之间，部分陈旧系统的效率低于94%。如果将电解铝整流供电系统的运行效率提高1%，则全国每年可节约电能30亿度，减少二氧化碳排放约300万吨。现在提高电解铝整流供电系统效率的主要方法为对整流供电系统的主要部件（包括调压变压器、整流变压器、滤波器、整流器及直流母排等）进行节能优化设计[1-3]，但此方法的节能空间有限。

广泛应用的电解铝整流供电系统的供电电压一般为220kV，经过自耦正反有载调压变压器电压降为110kV。调压变压器的35kV稳定绕组接滤波功补装置（一般为11、13次滤波器）。110kV整流变压器直降为600～1 200V后接晶闸管整流器为电解槽供电。整流变压器采用两个独立的铁芯，一次侧均为曲折形绕组，二次分别为星三角形绕组且为同相逆并联接线，从而形成等效12脉波桥式整流结构。直流电压一般为800～1 500V，直流电流一般为50kA～150kA，整流变压器的容量达到50～150MVA。实际工程中一般4～6套整流供电系统并联通过整流变压器一次绕组移相形成多脉波整流系统，以提供200kA～600kA的系列电解电流[4-7]。

众所周知，晶闸管整流器具有非线性特性，在实现电能变换的过程中必然产生大量的谐波和无功功率[8-10]。在传统电解铝整流供电系统中，滤波器只是解决了系统的电能质量问题，但所有的谐波和无功功率均流经整流变压器及调压变压器，不仅增加变压器的电能消耗，还加剧了变压器的振动与噪声[11-13]。如何缩短谐波和无功的流通路径，降低变压器的谐波及无功损耗，为电解铝整流供电系统节能降耗提供了新思路。

相关文献介绍了一种感应滤波技术，其通过消除整流变压器的谐波磁通原理进行滤波，具有谐波就近抑制和无功就近补偿的特点，可提高整流系统的效率[14-17]。为实现系统节能降耗，提出适应于电解铝的感应滤波整流系统是非常有必要的。文献[14-15]对基于感应滤波的直流输电系统进行了相关研究，文献中采用阀侧绕组延边移相，在公共绕组抽头处接滤波器的方案，但是由于工业整流系统中阀侧电压较低，此种方案不可应用于工业整流系统中。文献[16]提出了一种基于感应滤波的六脉波工业整流系统，如果将此种方案应用于十二脉波电解铝系统，则其需要两套5、7、11、13次滤波器，分别接入两个整流变的滤波绕组，而传统系统只需接入一套11、13次滤波器，显然此方法增加了滤波器的成本。文献[17]提出了一种集成化的12脉波感应滤波整流机组，虽然其滤波器只需采用11、13次滤波器，但其只有一个铁芯，有两套阀侧绕组，由于电解铝整流供电系统具有供电电压高、容量超大、整流变压器阀侧绕组电压低电流超大等特点，此种方案只适用于容量相对较小的电解锰、电解铜等整流系统中，在电解铝整流系统中设计制造困难，无法实现。不同于以上几种感应滤波整流供电系统，本文提出了一种适用于电解铝的新型感应滤波整流供电系统，新系统只需要一套11、13次滤波器，但能够实现两台整流变压器5、7、11、13等次的网侧绕组谐波电流以及铁芯谐波磁通的抑制。本文对新系统的谐波传递特性以及无功补偿特性进行理论分析，并对实验室样机进行测试分析，试验结果验证了本文理论计算的正确性，说明了电解铝感应滤波整流供电系统有助于缩短谐波及无功的流通路径，具有节能降耗的效果。

传统电解铝整流供电系统如图1所示。基于感應滤波的新型电解铝整流供电系统如图2 所示。与图1所示系统的不同之处在于，新系统采用感应滤波整流变压器，其在传统整流变压器的基础上增加了一个滤波功补绕组，为实现感应滤波技术，滤波功补绕组的等值漏阻抗设计为零，这可通过合理调整变压器的各个绕组的结构和布局来实现[14-17]。两个整流变压器的滤波功补绕组并联后接一组11、13次全调谐滤波器。

（a）拓扑图 （b）接线图

图1 传统电解铝整流供电系统

Fig. 1 Rectifier power supply system for traditional electrolytic aluminum

（a）拓扑图 （b）接线图

图2 感应滤波电解铝整流供电系统

Fig. 2 Rectifier power supply system for electrolytic aluminium based on inductive filtering

图2所示的新系统主要有以下特点：1）虽然只有一组11、13次滤波器，但是可以消除两台整流变压器的 以及11、13次的铁芯谐波磁通以及网侧绕组的谐波电流；2）新系统的滤波器可对晶闸管整流器所产生的无功功率实现一定的动态就近补偿功能；3）对比图1中的传统系统，新系统缩短了谐波和无功的流通路径，有助于提高系统的效率。

2 谐波传递特性

图2中的感应滤波电解铝整流供电系统的等值电路可表示为图3，三相晶闸管整流桥用谐波电流源进行等效代替， 为谐波次数，则 。

由图3可以得到下面公式：

（1）

由于整流变压器阀侧三角形绕组比星形绕组的线电流超前30?，所以阀侧绕组线电流具有如下关系[18]：

（2）

图3 感应滤波电解铝整流供电系统等值电路模型

Fig. 3 Equivalent circuit model of rectifier power supply system for electrolytic aluminium based on inductive filtering

阀侧三角形绕组的线电流与相电流之间的关系如公式（3），其中当 时（即谐波电流为正序分量）， ；当 时（即谐波电流为负序分量）， ，以下公式均如此。

（3）

由图3的等值电路模型还可得公式（4）和（5）：

（4）

（5）

由于两个整流变压器并联运行，所以它们相对应绕组的短路阻抗及等值漏阻抗（折算到整流变的网侧）必须相等。设两个整流变压器的网侧绕组（包括基本绕组与移相绕组）、阀侧绕组和滤波绕组的等值漏阻抗分别为 、 和 。网侧绕组与阀侧绕组的短路阻抗为 ，网侧绕组与滤波绕组的短路阻抗为 ，阀侧绕组与滤波绕组的短路阻抗为 。这些阻抗均为折算到网侧值。

网侧绕组的基本示意图如图4所示，移相绕组的匝数为 ，基本绕组的匝数为 ，则网侧绕组等效匝数 ；

为曲折接线的移相角度，则有 [19]，滤波绕组匝数为 ，星形阀侧绕组的匝数为 ，三角形阀侧绕组的匝数为 。 折算到网侧的值为 。

图4 网侧绕组的基本示意图

Fig.4 Basic schematic drawing of grid winding

不计励磁电流，可得含有曲折接线绕组的变压器磁势平衡方程为[19-20]：

（6）

（7）

由多绕组变压器理论[19-20]，可以得到含有曲折接线绕组的变压器方程为：

（8）

（9）

假设电压不含谐波分量，又由于感应滤波整流变压器中滤波绕组为零等值漏阻抗设计，即 ，则 ；结合上述公式（1）～（9），可得到整流变压器网侧绕组、滤波绕组以及滤波器的谐波电流如下：

（10）

（11）

（12）

（13）

当 时，有下面等式：

。 （14）

1）当不投入11、13次全调谐滤波器时，所以有：

。 （15）

结合公式（10）和（13）～（15），可以得出以下等式：

（16）

（17）

2）当投入11、13次全调谐滤波器时，所以有：

。 （18）

结合公式（10）、（13）～（14）和（18），可以得出以下等式：

（19）

。 （20）

分析公式（16）、（17）、（19）和（20），可以得出新型整流供电系统的谐波电流流通路径图，如图5所示。新型整流供电系统与传统系统各个绕组及滤波器的谐波传递对比情况如表1所示。

由图5和表1可以得出以下结论：

1）不管是否投入滤波器，与传统系统相比，新系统虽然整流变滤波绕组含有 次谐波，但是其整流变的网侧绕组（包含移相绕组和基本绕组）并不含有 次谐波。也就是说，和传统系统相比，新系统中 次谐波实现了由整流变网侧绕组向滤波绕组的转移。这就表明，在新系统整流变中，两个负载绕组（滤波绕组和阀侧绕组）中的 次谐波电流相互之间实现了安匝平衡，它们的谐波磁势相互抵消，其整流变铁芯不会含有 次谐波磁通，所以网侧绕组不会感应出相应的谐波电流。可见新系统消除了整流变压器的 次铁芯谐波损耗。

2） 不投滤波器，新系统和传统系统的11、13次谐波传递情况相同。投入滤波器后，相比传统系统，新系统整流变的网侧绕组和调压变的所有绕组都不会含有11、13次谐波电流，这就消除了这些绕组的11、13次谐波损耗。于此同时，新系统的整流变和调压变的铁芯都不会有11、13谐波磁通，这就消除了它们的11、13次铁芯谐波损耗。

3）投入滤波器后，传统和新型整流供电系统中滤波器中均不含有的 次谐波，它们的谐波含量情况一致，也就是说当新系统和传统系统的滤波器的等值电阻、无功补偿量和接入电压相等的情况下，它们的滤波器损耗基本相同。

综上所述，在滤波器的谐波含量和损耗不变的情况下，相比传统整流系统，新型整流供电系统大大缩短了谐波的传递路径，这有助于减少整流供电系统的谐波损耗。

3 无功传递特性

结合公式（1）～（9）式，可得整流变变压器网侧绕组基波电流如下：

（21）

由于滤波器的基波阻抗值远大于变压器本身的基波短路阻抗值，即 ，所以整流变压器网侧绕组基波电流可以等效如下：

（22）

当不投入滤波器时，整流变压器网侧绕组基波电流如下：

（23）

由公式（22）和（23）可以得出整流变压器网侧的电压电流相量图，如图6所示。分析可见，投入滤波器后，整流变压器的网側绕组补偿了一个值为 的容性无功电流，功率因数由 提高到 ，并且网侧绕组基波电流幅值减小。于此同时，调压变压器各个绕组的基波电流幅值也相应变小。可见，新型整流供电系统缩短了无功电流的流通路径，减少了整流变网侧绕组和调压变所有绕组的无功损耗。而传统的整流供电系统，投入滤波器仅仅减少了调压变的串联绕组的无功电流。

另外，值得说明的是：对于整流供电系统负荷大小主要通过调压变的有载调压开关和晶闸管触发角进行调节，其中有载调压开关为粗调，晶闸管为微调。对于新型整流供电系统，当调节有载调压开关进行大幅度调整负荷时，滤波绕组的电压同时发生变化，滤波器的无功补偿容量随同负荷同比例变化，所以新型整流供电系统具有一定的动态无功补偿功能，这一点可通过以下对样机功率因数测试进行验证。而对于传统的整流供电系统，调节有载调压开关，负荷发生变化，但无功补偿量不发生变化，当负荷较低时，如果不切除滤波器可能会出现过补偿现象。

4 样机测试

研制了一套整流供电系统的实验样机，样机的实物图如图7所示。调压变压器的一次绕组的额定电压为380V，二次侧（调压绕组侧）的额定电压为220V，三次侧（滤波绕组侧）的额定电压为110V，短路阻抗为4.51%，额定容量为60kVA。整流变压器一次侧额定电压为220V，额定容量为2*30kVA，二次侧额定电压为80V，短路阻抗为6.18%，滤波功补绕组额定电压为110V，滤波绕组的等值漏阻抗为0.018%，其基本为零阻抗设计。通过改变滤波器的接入位置来体现传统和新型整流系统，具体如下：1）新系统为将两台整流变滤波功补偿绕组并联后接滤波器，调压变的滤波绕组空载；2）传统系统为将两台整流变滤波绕组不并联且空载，将滤波器接入调压变的第三绕组。

新型整流供电系统整流变压器网侧绕组和滤波器实测电流波形分别如图8和10所示。根据新系统阀侧绕组所测试的谐波电流以及整流变压器的基本参数，利用第三节相关公式推导计算的网侧绕组电流波形如图9所示。对比分析图8和图9可以看出实测与计算出的波形基本相同，这就验证了上面谐波传递公式理论分析的正确性。

新系统网侧绕组和滤波器的具体谐波电流数据如表2所示。由表2可以看出，不管是否投入滤波器，新型整流供电系统的整流变网侧绕组基本不含有5、7次谐波电流。投入11、13次滤波器后，网侧绕组基波电流减小，11、13次谐波也基本被消除，则调压变压器各个绕组也不会含11、13次谐波电流。于此同时，由表2还可以看出，滤波器同样也基本不含有5、7次谐波。以上实测结果与上面谐波传递特性理论分析结果相同。

额定负荷下，不投滤波器，新型整流供电系统380V侧功率因数为0.924，投入滤波器后，功率因数提高到0.986。通过调节调压变的二次侧输出电压，可以得到整流供电系统不同负荷下380V侧的功率因数的变化曲线如图11所示。由图11可以看出，无滤波时，不同负荷下系统功率因数基本在0.92到0.94之间。新型滤波功补下，系统功率因数基本为0.986，并且不同负荷下，系统的功率因数基本维持不变，可见新型整流供电系统中的滤波功补方式具有一定的动态无功补偿特性。而对于传统滤波功补方式下，不同负荷下系统的功率因数变化大，当负荷低于80%时，如果不切除部分滤波器会出现过补偿现象。

新系统和传统系统的效率测试结果（不包括滤波器损耗）如表3所示，由表可以看出投入滤波器后新系统的效率为95.71%，较传统系统提高1.07%，验证了新型整流供电系统良好的节能效果。

需要说明的是本处整流供电系统的整体效率仍然较低（低于96%），其主要原因是由于感应滤波绕组占据了变压器其他绕组的窗口，导致变压器的各个绕组导线截面较小，绕组损耗较大。今后可通过变压器优化设计方法，合理布置各个绕组的布置，来提升整流系统的整体效率。

5 结论

本文提出了一种适应于电解铝的新型感应滤波整流供电系统，通过对新系统的谐波传递特性、无功补偿特性等进行理论及实验分析，得出以下结论：

1）对于新型整流供电系统即使不投入滤波器，整流变压器的网侧绕组、调压变压器的所有绕组都不含有 次谐波。投入滤波器后，整流变压器的网侧绕组、调压变压器的所有绕组中的11、13次谐波电流也基本为零。新型整流供电系统缩短了谐波的流通路径。

2）投入滤波器后，新型整流供电系统的功率因数大大提高，缩短了无功功率的流通路径。且当调节调压变有载调压开关进行负荷调整时，新系统的功率因数基本不变，新系统的滤波功补方式具有一定的动态无功补偿特性。

3）由于新型整流供电系统缩短了谐波与无功的流通路径，新系统具有一定的节能降耗的效果。

参考文献：

[1] 涂春鸣， 罗安， 刘娟. 无源滤波器的多目标优化计算[J].中国电机工程学报，2002，22（3）：17-21.

TU Chunming， LUO An， LIU Juan. Multi-objectiveoptimal design of passive power filters[J].Proceedings of the CSEE，2002，22（3）：17-21.

[2] 王竹荣， 崔杜武， 张毅坤， 等. 基于遗传算法的整流变压器的优化设计[J].电工技术学报，2004，19（5）：6-9.

WANG Zhurong， CUI Duwu， ZHANG Yikun， et al.Optimization design based on genetic algorithm forrectifier transformer[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19（5）：6-9.

[3] 王竹荣. 遗传算法及其在特种变压器优化设计中的应用研究[D].西安：西安理工大学，2005.

[4] 刘忏斌， 冯公伟， 崔督普， 等. 硅整流所电力设计[M].北京：冶金工业出版社，1983：497-611.

[5] QIAO Shutong， JIANG Jiangguo， ZUO Dongsheng， et al. A novel control scheme of 230kA DC power source using thyristor phase-shifting rectifier transformer and on-load tap changer[C].Shanghai：IEEE，2006.

[6] 張洪， 张明. 220kV大型电解铝整流变压器概论[J].变压器，2000，37（2）：1-8.

ZHANG Hong， ZHANG Ming. Summary on 220kV large electrolytic aluminium rectifier transformers[J].Transformer，2000，37（2）：1-8.

[7] 张洪. 220kV直降式有载调压整流变压器（上）[J].变压器，2006，43（4）：1-6.

ZHANG Hong. 220kV direct step-Down rectifier auto-transformer with on-load tap-changer （part one）[J].Transformer，2006，43（4）：1-6.

[8] 吴隆辉， 桌放， 张鹏博， 等. 一种用于配电系统谐振抑制及谐波治理的新型PAPF控制方法[J].中国电机工程学报，2008，28（27）：70-77.

WU Longhui， ZHUO Fang， ZHANG Pengbo， et al. Anovel control method of PAPF for resonance damping and harmonics compensation in power system[J].Proceedings of the CSEE，2008，28（27）：70-77.

[9] 冯宝， 樊强， 易浩勇， 等. 基于三线性分解的电力系统谐波与间谐波参数估计算法[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：173-179.

FENG Bao， FAN Qiang， YI Haoyong， et al. A harmonic and inter-harmonic parameter estimation algorithm of electric power system based on tri-linear decomposition[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（25）：173-179.

[10] 何正友， 胡海涛， 方雷， 等. 高速铁路牵引供电系统谐波及其传输特性研究[J]. 中国电机工程学报，2011，31（16）：55-62.

HE Zhengyou， HU Haitao， FANG Lei， et al. Research on the harmonic in high-speed railway traction power supply system and its transmission characteristic[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（16）：55-62.

[11] SHAO Pengfei， LUO Longfu， LI Yong， et al. Electromagnetic vibration analysis of the winding of a new HVDC converter transformer[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27（1）：123-130.

[12] J. A. C. Forrest， B. Allard. Thermal problems caused by harmonic frequency leakage fluxes in three-phase three-winding converter transformers[J].IEEE transactions on power Delivery，2004，19（1）：208-213.

[13] 周偉， 李岩， 井永腾， 等. 换流变压器谐波损耗的计算与分析[J].高压电器，2012，48（8）：18-23.

ZHOU Wei， LI Yan， JING Yongteng， et al. Research and analysis of harmonics loss in converter transformer[J].High Voltage Apparatus，2012，48（8）：18-23.

[14] 李勇. 感应滤波理论及其在直流输电系统中的应用研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[15] LUO Longfu，LI Yong，XU Jiazhu，et al.A new converter transformer and a corresponding inductive filtering method for HVDC transmission system[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（3）：1426-1431.

[16] LI Yong， LUO Longfu，Rehtanz.C， et al. An industrial DC power supply system based on an inductive filtering method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（2）：714-722.

[17] 王灿， 罗隆福， 李勇， 等. 新型高效工业整流机组的运行特性分析[J].中国电机工程学报，2013，33（18）：80-86.

WANG Can， LUO Longfu， LI Yong， et al. Analysis on operating characteristics of a novel efficient industrial rectifier unit[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（18）：80-86.

[18] 王兆安， 黄俊. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000：67-70.

[19] 崔立君. 特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1995：238-239.

[20] 路长柏，郭振岩. 电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007：199-200.