王燦 寧志毫 張可人 張斌 羅瀟 左劍

摘 要：電解鋁整流供電系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的諧波與無功，不僅造成嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，同時影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。針對電解鋁整流供電系統(tǒng)供電電壓高、容量超大、整流變壓器閥側(cè)繞組電壓低電流超大等特點(diǎn)，提出了一種適用于電解鋁的新型感應(yīng)濾波整流供電系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)整流供電系統(tǒng)，新系統(tǒng)在改善電能質(zhì)量的同時，能夠有效的縮短諧波及無功的流通路徑，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。新系統(tǒng)具有特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且為實(shí)現(xiàn)感應(yīng)濾波技術(shù)，整流變壓器的濾波繞組等值漏阻抗設(shè)計為零。理論分析了新系統(tǒng)的諧波傳遞特性和無功補(bǔ)償特性。給出了樣機(jī)試驗(yàn)分析，測試結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，說明新型電解鋁整流供電系統(tǒng)在諧波抑制、無功補(bǔ)償以及節(jié)能等方面所具有的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：整流；諧波抑制；感應(yīng)濾波；無功補(bǔ)償；節(jié)能

DOI： 10.15938/j.emc.2017.07.000

中圖分類號：TM 72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，電解鋁的每噸電耗大約為13 000～16 000度，為高耗能產(chǎn)業(yè)，2012年我國電解鋁產(chǎn)量為 2 026.7萬噸，同比增長12.2%，消耗電能高達(dá)3 000億度。經(jīng)調(diào)研測試，電解鋁整流供電系統(tǒng)的效率一般為95%～97%之間，部分陳舊系統(tǒng)的效率低于94%。如果將電解鋁整流供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率提高1%，則全國每年可節(jié)約電能30億度，減少二氧化碳排放約300萬噸。現(xiàn)在提高電解鋁整流供電系統(tǒng)效率的主要方法為對整流供電系統(tǒng)的主要部件（包括調(diào)壓變壓器、整流變壓器、濾波器、整流器及直流母排等）進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計[1-3]，但此方法的節(jié)能空間有限。

廣泛應(yīng)用的電解鋁整流供電系統(tǒng)的供電電壓一般為220kV，經(jīng)過自耦正反有載調(diào)壓變壓器電壓降為110kV。調(diào)壓變壓器的35kV穩(wěn)定繞組接濾波功補(bǔ)裝置（一般為11、13次濾波器）。110kV整流變壓器直降為600～1 200V后接晶閘管整流器為電解槽供電。整流變壓器采用兩個獨(dú)立的鐵芯，一次側(cè)均為曲折形繞組，二次分別為星三角形繞組且為同相逆并聯(lián)接線，從而形成等效12脈波橋式整流結(jié)構(gòu)。直流電壓一般為800～1 500V，直流電流一般為50kA～150kA，整流變壓器的容量達(dá)到50～150MVA。實(shí)際工程中一般4～6套整流供電系統(tǒng)并聯(lián)通過整流變壓器一次繞組移相形成多脈波整流系統(tǒng)，以提供200kA～600kA的系列電解電流[4-7]。

眾所周知，晶閘管整流器具有非線性特性，在實(shí)現(xiàn)電能變換的過程中必然產(chǎn)生大量的諧波和無功功率[8-10]。在傳統(tǒng)電解鋁整流供電系統(tǒng)中，濾波器只是解決了系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，但所有的諧波和無功功率均流經(jīng)整流變壓器及調(diào)壓變壓器，不僅增加變壓器的電能消耗，還加劇了變壓器的振動與噪聲[11-13]。如何縮短諧波和無功的流通路徑，降低變壓器的諧波及無功損耗，為電解鋁整流供電系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了新思路。

相關(guān)文獻(xiàn)介紹了一種感應(yīng)濾波技術(shù)，其通過消除整流變壓器的諧波磁通原理進(jìn)行濾波，具有諧波就近抑制和無功就近補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可提高整流系統(tǒng)的效率[14-17]。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗，提出適應(yīng)于電解鋁的感應(yīng)濾波整流系統(tǒng)是非常有必要的。文獻(xiàn)[14-15]對基于感應(yīng)濾波的直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)中采用閥側(cè)繞組延邊移相，在公共繞組抽頭處接濾波器的方案，但是由于工業(yè)整流系統(tǒng)中閥側(cè)電壓較低，此種方案不可應(yīng)用于工業(yè)整流系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于感應(yīng)濾波的六脈波工業(yè)整流系統(tǒng)，如果將此種方案應(yīng)用于十二脈波電解鋁系統(tǒng)，則其需要兩套5、7、11、13次濾波器，分別接入兩個整流變的濾波繞組，而傳統(tǒng)系統(tǒng)只需接入一套11、13次濾波器，顯然此方法增加了濾波器的成本。文獻(xiàn)[17]提出了一種集成化的12脈波感應(yīng)濾波整流機(jī)組，雖然其濾波器只需采用11、13次濾波器，但其只有一個鐵芯，有兩套閥側(cè)繞組，由于電解鋁整流供電系統(tǒng)具有供電電壓高、容量超大、整流變壓器閥側(cè)繞組電壓低電流超大等特點(diǎn)，此種方案只適用于容量相對較小的電解錳、電解銅等整流系統(tǒng)中，在電解鋁整流系統(tǒng)中設(shè)計制造困難，無法實(shí)現(xiàn)。不同于以上幾種感應(yīng)濾波整流供電系統(tǒng)，本文提出了一種適用于電解鋁的新型感應(yīng)濾波整流供電系統(tǒng)，新系統(tǒng)只需要一套11、13次濾波器，但能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺整流變壓器5、7、11、13等次的網(wǎng)側(cè)繞組諧波電流以及鐵芯諧波磁通的抑制。本文對新系統(tǒng)的諧波傳遞特性以及無功補(bǔ)償特性進(jìn)行理論分析，并對實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)進(jìn)行測試分析，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文理論計算的正確性，說明了電解鋁感應(yīng)濾波整流供電系統(tǒng)有助于縮短諧波及無功的流通路徑，具有節(jié)能降耗的效果。

傳統(tǒng)電解鋁整流供電系統(tǒng)如圖1所示?；诟袘?yīng)濾波的新型電解鋁整流供電系統(tǒng)如圖2 所示。與圖1所示系統(tǒng)的不同之處在于，新系統(tǒng)采用感應(yīng)濾波整流變壓器，其在傳統(tǒng)整流變壓器的基礎(chǔ)上增加了一個濾波功補(bǔ)繞組，為實(shí)現(xiàn)感應(yīng)濾波技術(shù)，濾波功補(bǔ)繞組的等值漏阻抗設(shè)計為零，這可通過合理調(diào)整變壓器的各個繞組的結(jié)構(gòu)和布局來實(shí)現(xiàn)[14-17]。兩個整流變壓器的濾波功補(bǔ)繞組并聯(lián)后接一組11、13次全調(diào)諧濾波器。

（a）拓?fù)鋱D （b）接線圖

圖1 傳統(tǒng)電解鋁整流供電系統(tǒng)

Fig. 1 Rectifier power supply system for traditional electrolytic aluminum

（a）拓?fù)鋱D （b）接線圖

圖2 感應(yīng)濾波電解鋁整流供電系統(tǒng)

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

圖2所示的新系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：1）雖然只有一組11、13次濾波器，但是可以消除兩臺整流變壓器的 以及11、13次的鐵芯諧波磁通以及網(wǎng)側(cè)繞組的諧波電流；2）新系統(tǒng)的濾波器可對晶閘管整流器所產(chǎn)生的無功功率實(shí)現(xiàn)一定的動態(tài)就近補(bǔ)償功能；3）對比圖1中的傳統(tǒng)系統(tǒng)，新系統(tǒng)縮短了諧波和無功的流通路徑，有助于提高系統(tǒng)的效率。

2 諧波傳遞特性

圖2中的感應(yīng)濾波電解鋁整流供電系統(tǒng)的等值電路可表示為圖3，三相晶閘管整流橋用諧波電流源進(jìn)行等效代替， 為諧波次數(shù)，則 。

由圖3可以得到下面公式：

（1）

由于整流變壓器閥側(cè)三角形繞組比星形繞組的線電流超前30?，所以閥側(cè)繞組線電流具有如下關(guān)系[18]：

（2）

圖3 感應(yīng)濾波電解鋁整流供電系統(tǒng)等值電路模型

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

閥側(cè)三角形繞組的線電流與相電流之間的關(guān)系如公式（3），其中當(dāng) 時（即諧波電流為正序分量）， ；當(dāng) 時（即諧波電流為負(fù)序分量）， ，以下公式均如此。

（3）

由圖3的等值電路模型還可得公式（4）和（5）：

（4）

（5）

由于兩個整流變壓器并聯(lián)運(yùn)行，所以它們相對應(yīng)繞組的短路阻抗及等值漏阻抗（折算到整流變的網(wǎng)側(cè)）必須相等。設(shè)兩個整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組（包括基本繞組與移相繞組）、閥側(cè)繞組和濾波繞組的等值漏阻抗分別為 、 和 。網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)繞組的短路阻抗為 ，網(wǎng)側(cè)繞組與濾波繞組的短路阻抗為 ，閥側(cè)繞組與濾波繞組的短路阻抗為 。這些阻抗均為折算到網(wǎng)側(cè)值。

網(wǎng)側(cè)繞組的基本示意圖如圖4所示，移相繞組的匝數(shù)為 ，基本繞組的匝數(shù)為 ，則網(wǎng)側(cè)繞組等效匝數(shù) ；

為曲折接線的移相角度，則有 [19]，濾波繞組匝數(shù)為 ，星形閥側(cè)繞組的匝數(shù)為 ，三角形閥側(cè)繞組的匝數(shù)為 。 折算到網(wǎng)側(cè)的值為 。

圖4 網(wǎng)側(cè)繞組的基本示意圖

Fig.4 Basic schematic drawing of grid winding

不計勵磁電流，可得含有曲折接線繞組的變壓器磁勢平衡方程為[19-20]：

（6）

（7）

由多繞組變壓器理論[19-20]，可以得到含有曲折接線繞組的變壓器方程為：

（8）

（9）

假設(shè)電壓不含諧波分量，又由于感應(yīng)濾波整流變壓器中濾波繞組為零等值漏阻抗設(shè)計，即 ，則 ；結(jié)合上述公式（1）～（9），可得到整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組、濾波繞組以及濾波器的諧波電流如下：

（10）

（11）

（12）

（13）

當(dāng) 時，有下面等式：

。 （14）

1）當(dāng)不投入11、13次全調(diào)諧濾波器時，所以有：

。 （15）

結(jié)合公式（10）和（13）～（15），可以得出以下等式：

（16）

（17）

2）當(dāng)投入11、13次全調(diào)諧濾波器時，所以有：

。 （18）

結(jié)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電系統(tǒng)的諧波電流流通路徑圖，如圖5所示。新型整流供電系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)各個繞組及濾波器的諧波傳遞對比情況如表1所示。

由圖5和表1可以得出以下結(jié)論：

1）不管是否投入濾波器，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)雖然整流變?yōu)V波繞組含有 次諧波，但是其整流變的網(wǎng)側(cè)繞組（包含移相繞組和基本繞組）并不含有 次諧波。也就是說，和傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)中 次諧波實(shí)現(xiàn)了由整流變網(wǎng)側(cè)繞組向?yàn)V波繞組的轉(zhuǎn)移。這就表明，在新系統(tǒng)整流變中，兩個負(fù)載繞組（濾波繞組和閥側(cè)繞組）中的 次諧波電流相互之間實(shí)現(xiàn)了安匝平衡，它們的諧波磁勢相互抵消，其整流變鐵芯不會含有 次諧波磁通，所以網(wǎng)側(cè)繞組不會感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電流。可見新系統(tǒng)消除了整流變壓器的 次鐵芯諧波損耗。

2） 不投濾波器，新系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的11、13次諧波傳遞情況相同。投入濾波器后，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，新系統(tǒng)整流變的網(wǎng)側(cè)繞組和調(diào)壓變的所有繞組都不會含有11、13次諧波電流，這就消除了這些繞組的11、13次諧波損耗。于此同時，新系統(tǒng)的整流變和調(diào)壓變的鐵芯都不會有11、13諧波磁通，這就消除了它們的11、13次鐵芯諧波損耗。

3）投入濾波器后，傳統(tǒng)和新型整流供電系統(tǒng)中濾波器中均不含有的 次諧波，它們的諧波含量情況一致，也就是說當(dāng)新系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的濾波器的等值電阻、無功補(bǔ)償量和接入電壓相等的情況下，它們的濾波器損耗基本相同。

綜上所述，在濾波器的諧波含量和損耗不變的情況下，相比傳統(tǒng)整流系統(tǒng)，新型整流供電系統(tǒng)大大縮短了諧波的傳遞路徑，這有助于減少整流供電系統(tǒng)的諧波損耗。

3 無功傳遞特性

結(jié)合公式（1）～（9）式，可得整流變變壓器網(wǎng)側(cè)繞組基波電流如下：

（21）

由于濾波器的基波阻抗值遠(yuǎn)大于變壓器本身的基波短路阻抗值，即 ，所以整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組基波電流可以等效如下：

（22）

當(dāng)不投入濾波器時，整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組基波電流如下：

（23）

由公式（22）和（23）可以得出整流變壓器網(wǎng)側(cè)的電壓電流相量圖，如圖6所示。分析可見，投入濾波器后，整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組補(bǔ)償了一個值為 的容性無功電流，功率因數(shù)由 提高到 ，并且網(wǎng)側(cè)繞組基波電流幅值減小。于此同時，調(diào)壓變壓器各個繞組的基波電流幅值也相應(yīng)變小?？梢?，新型整流供電系統(tǒng)縮短了無功電流的流通路徑，減少了整流變網(wǎng)側(cè)繞組和調(diào)壓變所有繞組的無功損耗。而傳統(tǒng)的整流供電系統(tǒng)，投入濾波器僅僅減少了調(diào)壓變的串聯(lián)繞組的無功電流。

另外，值得說明的是：對于整流供電系統(tǒng)負(fù)荷大小主要通過調(diào)壓變的有載調(diào)壓開關(guān)和晶閘管觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中有載調(diào)壓開關(guān)為粗調(diào)，晶閘管為微調(diào)。對于新型整流供電系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行大幅度調(diào)整負(fù)荷時，濾波繞組的電壓同時發(fā)生變化，濾波器的無功補(bǔ)償容量隨同負(fù)荷同比例變化，所以新型整流供電系統(tǒng)具有一定的動態(tài)無功補(bǔ)償功能，這一點(diǎn)可通過以下對樣機(jī)功率因數(shù)測試進(jìn)行驗(yàn)證。而對于傳統(tǒng)的整流供電系統(tǒng)，調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開關(guān)，負(fù)荷發(fā)生變化，但無功補(bǔ)償量不發(fā)生變化，當(dāng)負(fù)荷較低時，如果不切除濾波器可能會出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象。

4 樣機(jī)測試

研制了一套整流供電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的實(shí)物圖如圖7所示。調(diào)壓變壓器的一次繞組的額定電壓為380V，二次側(cè)（調(diào)壓繞組側(cè)）的額定電壓為220V，三次側(cè)（濾波繞組側(cè)）的額定電壓為110V，短路阻抗為4.51%，額定容量為60kVA。整流變壓器一次側(cè)額定電壓為220V，額定容量為2*30kVA，二次側(cè)額定電壓為80V，短路阻抗為6.18%，濾波功補(bǔ)繞組額定電壓為110V，濾波繞組的等值漏阻抗為0.018%，其基本為零阻抗設(shè)計。通過改變?yōu)V波器的接入位置來體現(xiàn)傳統(tǒng)和新型整流系統(tǒng)，具體如下：1）新系統(tǒng)為將兩臺整流變?yōu)V波功補(bǔ)償繞組并聯(lián)后接濾波器，調(diào)壓變的濾波繞組空載；2）傳統(tǒng)系統(tǒng)為將兩臺整流變?yōu)V波繞組不并聯(lián)且空載，將濾波器接入調(diào)壓變的第三繞組。

新型整流供電系統(tǒng)整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組和濾波器實(shí)測電流波形分別如圖8和10所示。根據(jù)新系統(tǒng)閥側(cè)繞組所測試的諧波電流以及整流變壓器的基本參數(shù)，利用第三節(jié)相關(guān)公式推導(dǎo)計算的網(wǎng)側(cè)繞組電流波形如圖9所示。對比分析圖8和圖9可以看出實(shí)測與計算出的波形基本相同，這就驗(yàn)證了上面諧波傳遞公式理論分析的正確性。

新系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)繞組和濾波器的具體諧波電流數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，不管是否投入濾波器，新型整流供電系統(tǒng)的整流變網(wǎng)側(cè)繞組基本不含有5、7次諧波電流。投入11、13次濾波器后，網(wǎng)側(cè)繞組基波電流減小，11、13次諧波也基本被消除，則調(diào)壓變壓器各個繞組也不會含11、13次諧波電流。于此同時，由表2還可以看出，濾波器同樣也基本不含有5、7次諧波。以上實(shí)測結(jié)果與上面諧波傳遞特性理論分析結(jié)果相同。

額定負(fù)荷下，不投濾波器，新型整流供電系統(tǒng)380V側(cè)功率因數(shù)為0.924，投入濾波器后，功率因數(shù)提高到0.986。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓變的二次側(cè)輸出電壓，可以得到整流供電系統(tǒng)不同負(fù)荷下380V側(cè)的功率因數(shù)的變化曲線如圖11所示。由圖11可以看出，無濾波時，不同負(fù)荷下系統(tǒng)功率因數(shù)基本在0.92到0.94之間。新型濾波功補(bǔ)下，系統(tǒng)功率因數(shù)基本為0.986，并且不同負(fù)荷下，系統(tǒng)的功率因數(shù)基本維持不變，可見新型整流供電系統(tǒng)中的濾波功補(bǔ)方式具有一定的動態(tài)無功補(bǔ)償特性。而對于傳統(tǒng)濾波功補(bǔ)方式下，不同負(fù)荷下系統(tǒng)的功率因數(shù)變化大，當(dāng)負(fù)荷低于80%時，如果不切除部分濾波器會出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象。

新系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的效率測試結(jié)果（不包括濾波器損耗）如表3所示，由表可以看出投入濾波器后新系統(tǒng)的效率為95.71%，較傳統(tǒng)系統(tǒng)提高1.07%，驗(yàn)證了新型整流供電系統(tǒng)良好的節(jié)能效果。

需要說明的是本處整流供電系統(tǒng)的整體效率仍然較低（低于96%），其主要原因是由于感應(yīng)濾波繞組占據(jù)了變壓器其他繞組的窗口，導(dǎo)致變壓器的各個繞組導(dǎo)線截面較小，繞組損耗較大。今后可通過變壓器優(yōu)化設(shè)計方法，合理布置各個繞組的布置，來提升整流系統(tǒng)的整體效率。

5 結(jié)論

本文提出了一種適應(yīng)于電解鋁的新型感應(yīng)濾波整流供電系統(tǒng)，通過對新系統(tǒng)的諧波傳遞特性、無功補(bǔ)償特性等進(jìn)行理論及實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

1）對于新型整流供電系統(tǒng)即使不投入濾波器，整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組、調(diào)壓變壓器的所有繞組都不含有 次諧波。投入濾波器后，整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組、調(diào)壓變壓器的所有繞組中的11、13次諧波電流也基本為零。新型整流供電系統(tǒng)縮短了諧波的流通路徑。

2）投入濾波器后，新型整流供電系統(tǒng)的功率因數(shù)大大提高，縮短了無功功率的流通路徑。且當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)壓變有載調(diào)壓開關(guān)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時，新系統(tǒng)的功率因數(shù)基本不變，新系統(tǒng)的濾波功補(bǔ)方式具有一定的動態(tài)無功補(bǔ)償特性。

3）由于新型整流供電系統(tǒng)縮短了諧波與無功的流通路徑，新系統(tǒng)具有一定的節(jié)能降耗的效果。

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