鋁電解供電系統(tǒng)電能質(zhì)量研究

，，

（1.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.淮安供電公司 集體資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中心，江蘇 淮安 223300）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁材的需求越來(lái)越多，鋁電解作為鋁材生產(chǎn)的重要一環(huán)，需要大量的電力能源。因此供電系統(tǒng)在鋁電解的過(guò)程中具有十分重要的地位。對(duì)其電能質(zhì)量進(jìn)行研究，有利于生產(chǎn)設(shè)備的安全、高效運(yùn)行［1］。

本文結(jié)合徐州電解鋁廠實(shí)際運(yùn)行中5次濾波通道電容經(jīng)常發(fā)生故障的問(wèn)題，對(duì)整流電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試與治理研究。

2 鋁電解整流供電網(wǎng)特點(diǎn)

在鋁電解的生產(chǎn)過(guò)程中主要是對(duì)熔鹽進(jìn)行電解來(lái)獲得其含有的金屬鋁。因此其鋁電解供電網(wǎng)具有以下特點(diǎn)。

1）諧波含量高：由于電壓和功率等方面的限制，目前鋁電解所需要的直流電源大部分采用不可控的整流系統(tǒng)獲得，不可避免的會(huì)產(chǎn)生很多高幅值的特征次諧波，在一定工況下有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生非特征次諧波。

2）功率因數(shù)低：鋁電解供電網(wǎng)中包含有調(diào)壓變壓器、整流變壓器，變壓層數(shù)較多，無(wú)功需求大，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。

3）用電量大供電可靠性高：作為鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中的主要能源，需求量大，且對(duì)供電可靠性要求高，一旦停電，整個(gè)生產(chǎn)將停止，若停電時(shí)間長(zhǎng)還會(huì)損壞電解槽。

3 測(cè)試與分析

3.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該電解鋁廠電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grid structure

系統(tǒng)共3條進(jìn)線，分別是西進(jìn)線，東進(jìn)線和廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組供電線路。3條進(jìn)線通過(guò)斷路器分別接入母線1和母線2。6臺(tái)整流機(jī)組中1，3，5號(hào)機(jī)組接在母線2；2，4，6號(hào)機(jī)組接在母線1，2臺(tái)動(dòng)力變壓器分別接在兩端母線上。母線1與母線2采用并聯(lián)運(yùn)行方式，全廠的大部分負(fù)荷容量由廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組提供，廠發(fā)電機(jī)組為135MW。整流變壓器為江西變壓器廠生產(chǎn)的型號(hào)為ZHSFPTB89000／110，額定容量89 000kV·A，額定電流467A，額定電壓110／0.828 5kV。整流機(jī)組為西安電力電子研究所生產(chǎn)，型號(hào)ZES－2×38 kA／1 000V，每個(gè)整流機(jī)組包含2臺(tái)整流器，單臺(tái)整流器額定電流為38kA，額定電壓1 000V。按N＋1臺(tái)原則選擇整流機(jī)組，機(jī)組臺(tái)數(shù)取6臺(tái)，其中1臺(tái)備用。正常時(shí)6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行；當(dāng)一組整流機(jī)組故障或檢修時(shí)，其余5臺(tái)機(jī)組仍能滿足電解系列正常生產(chǎn)。每臺(tái)機(jī)組均設(shè)有5，7，11次無(wú)源濾波通道。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

由于鋁廠目前絕大部分負(fù)荷由廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組提供，因此將數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)設(shè)在發(fā)電機(jī)組升壓變壓器處。測(cè)試儀器采用美國(guó)的三相電能質(zhì)量記錄儀FLUKE1760。110kV母線基準(zhǔn)短路容量為750 MW，最小短路容量為1 500MW，公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量為584MW，電壓互感器變比為110 kV／100V，電流互感器變比為1 200A／5A，表1為電壓總諧波畸變率，表2為各次諧波電流值以及根據(jù)國(guó)標(biāo)GB－T14549－1993可計(jì)算出各次諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表3為1＃整流器所對(duì)應(yīng)的5次濾波支路主要諧波數(shù)據(jù)。

表1 電壓總畸變率Tab.1 THD－U

表2 各次諧波電流值Tab.2 The harmonic current value

表3 5次濾波支路主要諧波數(shù)據(jù)Tab.3 The main harmonic value of 5filter

3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB－T14549－1993，110kV各相電壓總諧波畸變率為2%，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出各相電壓總諧波畸變率均低于2%，公共連接點(diǎn)處的諧波均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，但5次諧波偏大。由于5次濾波通道在整流變壓器2次側(cè)與整流裝置并聯(lián)，分析其故障原因可能為過(guò)流引起，下面計(jì)算其實(shí)際流過(guò)的電流是否超過(guò)額定電流。電容額定容量0.7Mvar，額定電壓0.8kV。

根據(jù)下式可計(jì)算出電容器的額定電流為

5次濾波通道中實(shí)際流經(jīng)電容器的電流根據(jù)下式可以得出：

可以看出流經(jīng)電容的實(shí)際電流遠(yuǎn)超過(guò)其額定值。

4 治理措施研究

要解決這個(gè)問(wèn)題，一種方法是更換電容重新設(shè)計(jì)5次濾波支路。另外一種方法是撤銷各整流器單獨(dú)的濾波通道，在母線處進(jìn)行集中治理。文章從第2種方法出發(fā)研究其治理措施。考慮到要對(duì)無(wú)功與諧波進(jìn)行綜合治理，項(xiàng)目中采用混合型有源濾波器系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功及諧波進(jìn)行補(bǔ)償。其中無(wú)源濾波器承擔(dān)大部分的諧波電流抑制和無(wú)功補(bǔ)償任務(wù)，有源濾波器則用于改善無(wú)源濾波器的濾波效果和抑制無(wú)源濾波器可能與電網(wǎng)發(fā)生的諧振，保證電網(wǎng)的安全及生產(chǎn)的正常進(jìn)行［2］。治理點(diǎn)設(shè)置在110kV母線上，將各臺(tái)整流器的無(wú)源濾波通道撤銷。同時(shí)混合型有源濾波器設(shè)置5，7，11次濾波通道。連接圖如圖2所示。

圖2 混合型有源濾波器連接圖Fig.2 The connection of hybrid power filter

電壓源逆變器輸出電壓通過(guò)耦合變壓器連接到無(wú)源濾波器的5次濾波支路的電感L5和電容C52兩端（其中C51，C52和L5組成的5次濾波支路，L5與C52調(diào)諧在基波頻率。利用L5和C52對(duì)基波諧振的特性，使基波電壓極大部分降落在電容C51上，有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，極大地減小了有源濾波器的容量，降低了混合有源濾波器的技術(shù)難度和成本，實(shí)現(xiàn)了混合有源濾波器在大容量場(chǎng)合的應(yīng)用［3］。文獻(xiàn)［4］給出了無(wú)源濾波器優(yōu)化配置的方法，文獻(xiàn)［5］給出了有源濾波器容量的計(jì)算方法。利用這兩種方法根據(jù)已測(cè)的數(shù)據(jù)，確定濾波通道的主要參數(shù)如表4所示，有源濾波器的參數(shù)如表5所示。

表4 濾波通道主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main parameters of filter

表5 有源濾波器參數(shù)Tab.5 Parameters of APF

連接電感值為1mH，直流側(cè)電容取值為4 000μF／1 000V。耦合變壓器容量為100kV·A，Y－Y12連接方式，變比K＝2。混合型有源濾波器投入后已穩(wěn)定運(yùn)行半年。圖3為裝置投入前后電流波形對(duì)比，可以看出治理效果良好。經(jīng)過(guò)測(cè)量110kV母線功率因數(shù)達(dá)到0.99，各相電壓總諧波畸變率小于0.23%，電流總諧波畸變率低于1%。

圖3 治理前后電流波形對(duì)比Fig.3 Before and after contrast of current

5 結(jié)論

鋁電解供電系統(tǒng)中，整流系統(tǒng)大部分采用多重化整流技術(shù)，造成各支路諧波嚴(yán)重而母線側(cè)大部分諧波相互抵消。將混合型有源濾波器安裝在母線上，不僅可降低各濾波通道的容量、提高功率因數(shù)，而且可以治理高次諧波，有效降低對(duì)公共電網(wǎng)的影響。

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