覃國(guó)林

電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器功率因素補(bǔ)償不足的控制研究

覃國(guó)林

（中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司，廣西 平果 531400）

伴隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的需求量越來越高，而隨著生產(chǎn)量的提升，現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求。在這一基礎(chǔ)上，為了能夠更好地提升社會(huì)生產(chǎn)力，首先需要做到的就是更好地提升工業(yè)生產(chǎn)中各項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用價(jià)值，只有確保生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，才能更好地提升生產(chǎn)效率。鑒于此，文章以某鋁業(yè)公司生產(chǎn)的電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器為例，對(duì)電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器功率因素補(bǔ)償不足的控制這一內(nèi)容進(jìn)行了一系列詳細(xì)的研究和分析，完成不同電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析工作，旨在提升工業(yè)生產(chǎn)效率。

電解鋁整流機(jī)組；諧波濾波器；品質(zhì)因數(shù)；功率因數(shù)

引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，電網(wǎng)輸送同設(shè)通常是保障整個(gè)晶閘變流設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。通常情況下，當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)中電網(wǎng)使用用戶的晶閘變流設(shè)備面向電網(wǎng)進(jìn)行傳輸諧波之時(shí)，供電設(shè)備上的電度表會(huì)比平常時(shí)期的實(shí)際參數(shù)值高出大概幾個(gè)百分點(diǎn)的狀況出現(xiàn)，如果此時(shí)功率因數(shù)出現(xiàn)降低的情況，那么上述狀況將會(huì)更加明顯。與此同時(shí)，部分生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)的過程中開展各類生產(chǎn)設(shè)備的管理工作的較果也并不理想，導(dǎo)致各種影響生產(chǎn)效率的問題頻發(fā)。基于此，針對(duì)電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器功率因素補(bǔ)償不足的控制這一課題展開深入的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器基本參數(shù)簡(jiǎn)介

某鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)一期、二期生產(chǎn)過程中的4臺(tái)額定容量下的整流變參數(shù)為75 MVA，在技術(shù)層面的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)為：（1）調(diào)變時(shí)一種79級(jí)別的調(diào)壓移相自耦類型的變壓器，該種變壓器的變壓調(diào)至參數(shù)范圍是25 kV～10.5 kV之間[1]。（2）4臺(tái)整流變調(diào)變移相角度分別設(shè)置成不同參數(shù)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(lián)接號(hào)的設(shè)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(shí)，對(duì)于整流輸出的直流電壓主要為0 V～1150 V，對(duì)于額定輸出電流的規(guī)定，則限定未參數(shù)56 kA。對(duì)于調(diào)變的三角形聯(lián)接10 kV繞組，為了能夠?qū)崿F(xiàn)更加有效的更改因數(shù)目標(biāo)，需要進(jìn)行諧波濾波裝置。

在運(yùn)行的工作原理上，某鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)一期、二期生產(chǎn)過程中的機(jī)組主要采用的是RLC結(jié)構(gòu)的濾波器，三相Y聯(lián)接主要與調(diào)變的第三組繞組相互聯(lián)接，在電容的設(shè)定上，需要保持為3組的運(yùn)行數(shù)量，然后按照工業(yè)中變壓器實(shí)際生產(chǎn)需求狀況開展高效的投切操作[2]。在兩種濾波器的參數(shù)設(shè)定上主要采用的是表1中的設(shè)定內(nèi)容。

表1 兩種濾波器參數(shù)值設(shè)定情況

2 電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器功率因素補(bǔ)償不足相關(guān)研究

2.1 電解鋁整流機(jī)組諧波和功率因素探討

在整流機(jī)組中，主變是Y/Y-12+Y/Δ-11形式的聯(lián)接，才能形成后續(xù)的12脈沖整流器。通常情況下，每一臺(tái)機(jī)組都會(huì)需要面向電網(wǎng)進(jìn)行12 k±1次數(shù)的諧波電流輸送工作[3]。研究所用的4臺(tái)機(jī)組雖然相互之間具有一定的移相并聯(lián)關(guān)系，但是由于受到設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀況的影響，產(chǎn)生的負(fù)荷也并不相同。所以在這一前提下，整個(gè)整流機(jī)組系統(tǒng)面向外部電網(wǎng)所輸送的諧波計(jì)算參數(shù)會(huì)選擇為12 k±1這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。一般而言，在進(jìn)行單臺(tái)機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行管理期間，機(jī)組的主要輸出電流會(huì)是56 kA，電壓的參數(shù)設(shè)定為1100 W[4]。此時(shí)，飽和的電抗器帶有65 V的降壓空間。如果整流變Y/y聯(lián)接閥是將U2作為側(cè)向電壓，那么飽和時(shí)的電抗器一旦電壓下降為0時(shí)，則輸出的直流電壓數(shù)值就會(huì)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(fā)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(shí)的閥側(cè)相電壓的參數(shù)值保持不變,而電壓的直流輸出數(shù)值需要保證在1100 V左右，依照公式Ud=2.34U2cos能夠計(jì)算得出：

α=arcos*(Ud/2.34U2)=19.3°

根據(jù)圖1中的電解鋁整流機(jī)組運(yùn)行內(nèi)容進(jìn)行分析之后,其內(nèi)的所有臺(tái)機(jī)組整流完成輸出的電流均為直流，平均參數(shù)值2Id，Y與Δ側(cè)都是只承擔(dān)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(dāng)自耦變從最初的一次變化至整流閥側(cè)y聯(lián)接后的總體電壓比參數(shù)為下述公式內(nèi)容：

圖1 移相30°并聯(lián)聯(lián)結(jié)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(cè)Y；ia2代表的是Δ聯(lián)接線電流；iab2代表的是Y、Δ聯(lián)接組閥側(cè)；ia2代表的是網(wǎng)側(cè)相電流；iA代表的是整流變網(wǎng)側(cè)總體電流。

2.2 變壓器磁化非線性諧波和功率因素探討

當(dāng)電解鋁整流機(jī)組在進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，由于其中的變壓器構(gòu)件受到鐵心磁化的非線性影響，Y形連接整流變調(diào)變側(cè)通常會(huì)出現(xiàn)3倍次諧波勵(lì)磁電流，與此同時(shí)，勵(lì)磁電流也會(huì)以5%～10%的5次諧波分量的形勢(shì)輔助設(shè)備正常運(yùn)行[6]。在加上變壓器自身要求配置無功電流，所以會(huì)在變壓器的繞組上出現(xiàn)一定程度的漏感覺。在這一基礎(chǔ)上，如果二次負(fù)載的功率因數(shù)出現(xiàn)小于1的狀況，那么設(shè)備的變壓器在總體功率因數(shù)的輸出上就會(huì)產(chǎn)生滯后的問題，并且一直保持小于1的狀態(tài)。

由于上述因素的出現(xiàn)，每一個(gè)單獨(dú)的12脈波整流變壓器的功率因數(shù)都低于0.9。在這一前提下，為了能夠最大程度滿足生產(chǎn)過程中的電網(wǎng)需求，通常需要在整流變壓器自耦變?nèi)切温?lián)接之處的第三繞組之外另行添加諧波濾波器設(shè)備，進(jìn)行輔助生產(chǎn)，提升工業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)效率。

3 電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

當(dāng)進(jìn)行電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，首先需要進(jìn)行諧波補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)所需求的感性電流，其計(jì)算過程為I1L=I1sinα=329*sin19.3。=108.5 A。

求出其中的I′3的具體數(shù)值為45.6 A。與此同時(shí)，當(dāng)自耦變進(jìn)行依次Y聯(lián)結(jié)時(shí)，第三繞組會(huì)與Δ聯(lián)接為10 kV，此種狀況下的變比是：

此時(shí)第3繞組需要為容性線正常運(yùn)行提供有效的相應(yīng)的電流，該部分電流的計(jì)算主要應(yīng)用下列公式完成：

在上述公式應(yīng)用基礎(chǔ)上，能夠快速計(jì)算出濾波器的n次諧波阻抗數(shù)值，具體計(jì)算過程如下：

通過上述的計(jì)算能夠得出，單臺(tái)的機(jī)組諧波次數(shù)時(shí)12 k±1。但是，由于已經(jīng)存在鐵心勵(lì)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(zhì)因數(shù)Q的取值在0.5～5之間，如果Q越大，那么調(diào)諧銳度就會(huì)增大，而諧波頻率與諧振頻率越多時(shí)，諧波的阻抗增長(zhǎng)數(shù)值也會(huì)隨之加速，繼而影響到其他高次諧波的不補(bǔ)償工作完成。

4 不同電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器相關(guān)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析

在某鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)一期、二期單臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行過程中，將其投入到不同的電容組之后，相應(yīng)的阻抗、諧振頻率（f0/Hz）、品質(zhì)因數(shù)（Q）以及功率因數(shù)（λ）都產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。具體的參數(shù)變化情況為表2中內(nèi)容。

表2 某鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)一期、二期機(jī)組中的各類參數(shù)變化情況

通過對(duì)表2中內(nèi)容進(jìn)行分析之后能夠得出，一期機(jī)組的濾波器共投入兩組電容器后，功率因數(shù)的實(shí)際數(shù)值能夠達(dá)到0.92，而投入3組之后的功率因數(shù)實(shí)際數(shù)值能夠達(dá)到0.95。二期機(jī)組的濾波器共投入兩組電容器后，功率因數(shù)的實(shí)際數(shù)值能夠達(dá)到0.90，而投入3組之后的功率因數(shù)實(shí)際數(shù)值能夠達(dá)到0.93。由此可見，如果兩種電容器所投入的實(shí)際組數(shù)之間不相同，但是其具備的電容量卻并未發(fā)生改變，而且是處于基本相等的狀態(tài)，在電感量方面的差異性也可以忽略，僅是在補(bǔ)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(fā)現(xiàn)，二期濾波器的品質(zhì)因數(shù)高出0.5～5這一范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，高頻次諧波的阻抗效果也顯著高出濾波器。這一結(jié)果代表著二期濾波器并未實(shí)驗(yàn)研究之初設(shè)定的功率補(bǔ)償理想效果，而導(dǎo)致不理想效果出現(xiàn)的原因主要是在于濾波器設(shè)備的固有的電阻太大，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)出現(xiàn)負(fù)面加大的問題出現(xiàn)，從而出現(xiàn)諧波阻抗總體較大的狀況，諧波的電流收到補(bǔ)償不足的威脅，導(dǎo)致基波因數(shù)過小[7]。與此同時(shí)，因?yàn)橹粚?組電容器投入到運(yùn)行中，也會(huì)對(duì)位移因數(shù)變化的補(bǔ)償造成一定的供應(yīng)不足問題。

當(dāng)實(shí)際投入2組電容時(shí)，濾波器的工頻阻抗時(shí)15.44∠90°，將這一結(jié)果進(jìn)行折算整合后，能夠得出如下整流變網(wǎng)側(cè)的容性電流：

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

功率補(bǔ)償之前，網(wǎng)側(cè)需要為其提供一定的感性電流，該部分電流的數(shù)值需要保持為108 A。功率補(bǔ)償之后，網(wǎng)側(cè)也需要為其提供一定的感性電流，該部分電流的數(shù)值需要保持為76 A，此種狀態(tài)下的基波電流計(jì)算數(shù)值為：

I1==319A

此時(shí)的位移數(shù)值計(jì)算公式為：

在進(jìn)行3組電容的研究時(shí)，濾波器的工頻阻抗時(shí)10.2∠90°，與其相對(duì)應(yīng)的位移因數(shù)是cosα=0.987。經(jīng)過針對(duì)研究過程能夠發(fā)現(xiàn)，如果解鋁整流機(jī)組在正產(chǎn)運(yùn)行時(shí)所投入的電容器數(shù)量出現(xiàn)不足，也會(huì)在一定程度上影響功率因數(shù)出現(xiàn)偏低的情況出現(xiàn)概率[8]。在這一基礎(chǔ)上，如果想要更好地提升現(xiàn)有功率因數(shù)，可行性比較不錯(cuò)的方案就是針對(duì)二期濾波器進(jìn)行有效的改進(jìn)。具體的改進(jìn)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(shí)現(xiàn)電阻并聯(lián)，將電阻的數(shù)值提升至6 Ω，但是相應(yīng)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(shí)諧波阻抗與品質(zhì)因數(shù)值

通過表3中的研究參數(shù)更改，經(jīng)過實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)整理得出，當(dāng)2組電容器進(jìn)行改進(jìn)后，功率因數(shù)從0.91上升至0.94；當(dāng)2組電容器進(jìn)行改進(jìn)后，功率因數(shù)從0.92上升至0.96，上升的效果比較明顯。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)方面的研究深入，電網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值必然也會(huì)逐漸增大，在這一基礎(chǔ)上開展電解鋁整流機(jī)組諧波濾波器功率因素補(bǔ)償不足的控制研究和優(yōu)化，不僅能夠提升現(xiàn)有生產(chǎn)效率，而且對(duì)于電解鋁整流機(jī)組應(yīng)用的科技水平提升也具有重要的促進(jìn)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(guó)林（1969－），男，中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司廣西分公司生產(chǎn)技術(shù)部主管，工程師，研究方向?yàn)橛猩饘僖睙捝a(chǎn)電力系統(tǒng)技術(shù)及管理。