吳曉紅, 周 飛

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650000)

淺談鋁電解諧波治理的專篇設(shè)計

吳曉紅1, 周 飛2

(1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650000)

電解鋁行業(yè)都要使用大功率的整流機組，這些整流機組產(chǎn)生的大量諧波，對電網(wǎng)污染極大。同時，也會對接在該公用電網(wǎng)中的其它用電設(shè)備帶來一些不良的影響甚至危害。因此，在設(shè)計或構(gòu)成一個整流系統(tǒng)時，必須重視諧波治理及無功功率補償?shù)膯栴}，此時一個完善而優(yōu)良的設(shè)計顯得尤為重要。

諧波治理；整流系統(tǒng)設(shè)計；大功率整流機組；鋁電解

0 引 言

由于鋁電解諧波治理的重要性及必要性，南方電網(wǎng)要求在項目建設(shè)前必須做諧波治理專篇設(shè)計，然而目前國家對其內(nèi)容及要求尚無統(tǒng)一規(guī)定，設(shè)備招、投標(biāo)時，其內(nèi)容及計算方法也五花八門，無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給專篇的審查及設(shè)備招、投標(biāo)工作帶來了極大不便。該文根據(jù)工程的實際經(jīng)驗，按照南方電網(wǎng)要求對諧波治理設(shè)計內(nèi)容及要求做一個簡單的概述以供設(shè)計人員參考。

1 諧波治理的重要性

鋁電解的整流設(shè)備容量很大，被稱為“電老虎”，由于大量采用電力電子變流技術(shù)而不可避免的產(chǎn)生大量諧波，是電力系統(tǒng)主要諧波源之一。而自動穩(wěn)流是目前廣泛應(yīng)用的一種整流技術(shù)，能對鋁廠帶來可觀的經(jīng)濟效益，但其帶來的負(fù)面影響就是諧波電流明顯增加，大量諧波電流注入電網(wǎng)將造成電壓畸變，供電質(zhì)量下降，嚴(yán)重危害發(fā)、供電設(shè)備和用電設(shè)備，被稱之為電力公害，其影響范圍和距離遠(yuǎn)比一個工廠對大氣環(huán)境的污染還要大，還要遠(yuǎn)。嚴(yán)重影響整流和供電設(shè)備的正常運行。同時,也會對接在該公用電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備帶來影響甚至危害。因此，在設(shè)計或構(gòu)建一個整流系統(tǒng)時，必須重視諧波治理的問題。

2 設(shè)計內(nèi)容及要點

2.1項目概述

包括工藝概況和供電系統(tǒng)概述。供電系統(tǒng)概述著重闡述供電系統(tǒng)參數(shù)(含短路容量、供、用電容量等)和線路參數(shù)(含線路長度、導(dǎo)線截面等)、整流變壓器詳細(xì)參數(shù)(含整流變壓器臺數(shù)、短路阻抗、繞組型式、移相角等)、供電負(fù)荷情況及計算等。

2.2設(shè)計依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

專篇的設(shè)計嚴(yán)格遵循國家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

2.3應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)和要求，用戶220 kV整流機組在不同運行方式下，諧波電壓、諧波電流和功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：

1)諧波電壓允許值

根據(jù)GB/T 14549-93 《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定，供電系統(tǒng)允許電壓(相電壓)畸變率見表1。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓允許值

2)諧波電流允許值

注入系統(tǒng)公共連接點(P.C.C點)220 kV母線的各次諧波電流應(yīng)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》的要求。

3)功率因數(shù)的要求

根據(jù)供用電規(guī)則第4.3條的規(guī)定和用戶需要，整流機組經(jīng)補償后其功率因數(shù)在正常運行方式下應(yīng)為220 kV側(cè)功率因數(shù): 0.95≤cosφ≤1.0。

2.4220 kV側(cè)電能質(zhì)量分析

對大功率三相全控橋6脈整流裝置來說，產(chǎn)生的特征諧波為6N±1次，即在閥側(cè)的特征次數(shù)為5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次等，以5次、7次諧波分量最大，其中以5次最大，7次次之，依次遞減。網(wǎng)側(cè)PCC點產(chǎn)生的特征諧波同閥側(cè)。整流變壓器組帶移相繞組并聯(lián)運行可組成12脈波，網(wǎng)側(cè)特征次數(shù)為11次、13次、23次、25次等，以11次、13次最大。

以某鋁電解項目為例，正常運行時為6臺整流變壓器運行，最惡劣的情況為4臺整流變壓器同時運行，此時能夠勉強維持生產(chǎn)。6套整流機組的相控角為：±2.5°、±7.5°、±12.5°，正常情況下，6套整流機組同時運行時，構(gòu)成對稱72相橋運行，全部6套整流器機組產(chǎn)生的諧波疊加后的低次諧波含量變小。當(dāng)有1套整流機組停機維護時，5套整流器機組便構(gòu)成非對稱60相橋運行，4套整流器機組運行時，構(gòu)成非對稱48相橋運行，在這種情況下，即使不考慮各種非對稱因素的影響，全部整流器機組產(chǎn)生的諧波疊加后的諧波量仍然較大。

為此，專篇設(shè)計需分析未治理前各種機組運行方式運行時的諧波特性，提供各種機組運行方式運行時的整流機組注入電網(wǎng)的諧波電流及諧波電壓畸變率,給出各種運行工況的仿真結(jié)果并對各種運行方式下的電能質(zhì)量進行比較。

2.5整流器機組濾波補償裝置技術(shù)方案

1)單臺整流變補償容量的確定

為了滿足電力部門對用戶的供電要求，保證電解鋁廠的功率因數(shù)達(dá)到要求是關(guān)鍵，也是設(shè)計需要達(dá)到的一個主要技術(shù)指標(biāo)。補償容量與很多因素有關(guān)，按整流變壓器最大補償能力，飽和電抗器線性、系統(tǒng)截止頻率、單臺電容器電壓暫為固定計算，所需要的無功補償容量根據(jù)以下公式計算：

Q =P(tgΦ1-tgΦ2)

式中： P為有功功率；

Q為需要補償?shù)臒o功容量；

cosΦ1、cosΦ2為補償前、后的功率因數(shù)。

2) FC參數(shù)的確定

根據(jù)整流裝置的運行工況，應(yīng)按正常運行方式考慮各套整流機組的濾波補償方案。設(shè)計的濾波補償裝置，須同時兼顧諧波濾波和功率因數(shù)補償雙重職責(zé)，應(yīng)按如下原則設(shè)計：①根據(jù)諧波電流超標(biāo)情況，確定濾波支路數(shù)量；②根據(jù)諧波電流的大小，確定各個濾波支路的有效容量；③根據(jù)濾波支路的安全性，確定各個濾波支路的電容器額定電壓；④根據(jù)串、并聯(lián)臺數(shù)以及保護方式，確定各個濾波支路的單臺電容器容量；⑤根據(jù)多個仿真計算的結(jié)果，確定各個濾波支路的最終詳細(xì)參數(shù)。

電容器組額定電壓的選取考慮下列因素：①串聯(lián)電抗器引起的濾波電容器工頻電壓升高；②接入點的系統(tǒng)最高運行電壓；③諧波引起的電容器電壓升高；④相間和串聯(lián)段間的電壓分配不均勻。

根據(jù)以上幾點，可計算出各個濾波支路的最終參數(shù)。

對單調(diào)諧濾波電容器的額定電壓可采用下式進行計算:

式中：Ue為濾波電容器額定電壓(kV)；

n為諧波次數(shù)；

In為流過濾波器的n次諧波電流(A)；

Il為流過濾波器的基波電流(A)；

Us為當(dāng)濾波器投入時電網(wǎng)最高運行電壓(kV)。

對濾波電容器最小安裝容量可采用下式進行計算:

式中：Smin為濾波電容器最小安裝容量(MVA)；

Ul為濾波器母線基波相電壓(kV)；

In為流過濾波器的n次諧波電流(kA)；

n為諧波次數(shù)。

對濾波電容器容量利用率最高時的安裝容量可采用下式進行計算:

式中：Sn為濾波電容器容量利用率最高時所需的安裝容量(MVA)。

2.6各工況諧波治理效果分析

應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)和濾波器參數(shù)，建立諧波潮流計算網(wǎng)絡(luò)，利用專用計算機仿真程序進行諧波潮流和諧波阻抗的計算和分析；提供各工況下濾波補償裝置投入后注入系統(tǒng)220 kV側(cè)的各次諧波電流值及220 kV母線電壓總畸變率；提供濾波補償裝置投入后220 kV側(cè)電壓、電流波形并對以上結(jié)果進行分析。

2.7運行安全穩(wěn)定性

1)給出各運行工況的最小、最大運行方式下，220 kV/110 kV/35 kV側(cè)幅頻特性分析，避免因變壓器阻抗轉(zhuǎn)移引起的諧振導(dǎo)致諧波放大增加。

2)提供單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核。

濾波支路投入后引起的電壓波動按照以下計算公式計算：

式中：dmax為濾波支路投入后引起的電壓波動值；

S為220 kV母線短路容量；

Q為單組濾波器補償容量。

當(dāng)各個濾波支路投入時，引起的電壓波動應(yīng)滿足GB 12326-2008《電能質(zhì)量—電壓波動和閃變》規(guī)定的電壓波動限值。

2.8濾波補償裝置安全性能分析

當(dāng)電容器承受的電氣條件超出其耐受能力，電容器可能會出現(xiàn)擊穿、膨脹甚至爆炸事件，所以電容器的安全運行是令人關(guān)注的。為了保證濾波電容器所承受的電氣條件在其耐受能力范圍內(nèi)，需通過過電流、電壓2項安全性能校驗。確保各運行工況下，所有支路過電流倍數(shù)均小于電容器額定電流的1.3倍，所有支路過電壓倍數(shù)均小于電容器額定電壓的1.1倍，保證各濾波補償裝置支路都能安全運行。

1)過電流校驗

濾波電容器的過電流校驗公式如下：

式中：ICN為濾波電容器的額定電流；

IC1為濾波電容器的基波電流；

ICh為濾波電容器的諧波電流。

2)過電壓校驗

濾波電容器的過電壓校驗公式如下：

UC1+∑UCh≤1.1UCN

式中：UCN為濾波電容器的額定電壓；

UC1為濾波電容器的基波電壓；

UCh為濾波電容器的諧波電壓。

3 設(shè)計需特別注意的部分

1)諧波電流允許值：諧波電流限值應(yīng)按最小短路容量和供電設(shè)備容量進行折算，而不能以基準(zhǔn)短路容量下的諧波電流限值為考核標(biāo)準(zhǔn)。

2)仿真計算結(jié)果：應(yīng)提供治理前、后各種機組運運行工況時，整流機組注入電網(wǎng)的諧波電流及諧波電壓畸變率,并給出各種運行工況的仿真結(jié)果。

3)FC參數(shù)的確定：專篇中應(yīng)給出依據(jù)各次諧波電流大小確定各濾波支路無功補償量計算過程。

4)單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核：單組濾波器投切引起的電壓波動計算校核應(yīng)分別按最小、最大運行方式下各個濾波器組投入后在220 kV母線引起的電壓波動考慮。

5)濾波電容器必須通過過電流、過電壓校驗。

4 結(jié) 語

筆者在某電解鋁項目諧波治理專篇設(shè)計時與電力部門多次溝通協(xié)商，充分了解電力部門的要求，按照以上內(nèi)容和深度編制了諧波治理專篇。實踐證明，一個內(nèi)容完善而優(yōu)良的諧波治理專篇設(shè)計，不僅給專篇的審查帶來了便利，同時也給后續(xù)設(shè)備招、投標(biāo)工作提供了理論依據(jù)，對電網(wǎng)以及整流和供電設(shè)備的正常運行提供了有力的保障。因此，加強和規(guī)范諧波治理的專篇設(shè)計具有重大的意義。

[1] 國家能源局.DL/T 5242-2010 35kV-220kV變電站無功補償裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 12326-2008 電能質(zhì)量-電壓波動和閃變[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549-93 電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[4] 劉懺斌,等.硅整流所電力設(shè)計[M].北京：冶金工業(yè)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.

吳曉紅(1965-)，女，云南人，高級工程師.主要研究方向：供配電及電氣自動化設(shè)計. E-mail：543061146@qq.com.

TM72

A

1004-2660(2016)01-0041-04