淺談鋁電解諧波治理的專篇設(shè)計(jì)

吳曉紅, 周 飛

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)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(jì)

吳曉紅1, 周 飛2

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)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(jī)組，這些整流機(jī)組產(chǎn)生的大量諧波，對(duì)電網(wǎng)污染極大。同時(shí)，也會(huì)對(duì)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(jì)或構(gòu)成一個(gè)整流系統(tǒng)時(shí)，必須重視諧波治理及無功功率補(bǔ)償?shù)膯栴}，此時(shí)一個(gè)完善而優(yōu)良的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

諧波治理；整流系統(tǒng)設(shè)計(jì)；大功率整流機(jī)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(xiàng)目建設(shè)前必須做諧波治理專篇設(shè)計(jì)，然而目前國(guó)家對(duì)其內(nèi)容及要求尚無統(tǒng)一規(guī)定，設(shè)備招、投標(biāo)時(shí)，其內(nèi)容及計(jì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)，按照南方電網(wǎng)要求對(duì)諧波治理設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求做一個(gè)簡(jiǎn)單的概述以供設(shè)計(jì)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(dòng)穩(wěn)流是目前廣泛應(yīng)用的一種整流技術(shù)，能對(duì)鋁廠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)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(gè)工廠對(duì)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(yùn)行。同時(shí),也會(huì)對(duì)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(jì)或構(gòu)建一個(gè)整流系統(tǒng)時(shí)，必須重視諧波治理的問題。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要點(diǎn)

2.1項(xiàng)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(zhǎng)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(tái)數(shù)、短路阻抗、繞組型式、移相角等)、供電負(fù)荷情況及計(jì)算等。

2.2設(shè)計(jì)依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)

專篇的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和要求，用戶220 kV整流機(jī)組在不同運(yùn)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(diǎn)(P.C.C點(diǎn))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(jī)組經(jīng)補(bǔ)償后其功率因數(shù)在正常運(yùn)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(duì)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(diǎn)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(yùn)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(xiàng)目為例，正常運(yùn)行時(shí)為6臺(tái)整流變壓器運(yùn)行，最惡劣的情況為4臺(tái)整流變壓器同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)能夠勉強(qiáng)維持生產(chǎn)。6套整流機(jī)組的相控角為：±2.5°、±7.5°、±12.5°，正常情況下，6套整流機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，構(gòu)成對(duì)稱72相橋運(yùn)行，全部6套整流器機(jī)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(jī)組停機(jī)維護(hù)時(shí)，5套整流器機(jī)組便構(gòu)成非對(duì)稱60相橋運(yùn)行，4套整流器機(jī)組運(yùn)行時(shí)，構(gòu)成非對(duì)稱48相橋運(yùn)行，在這種情況下，即使不考慮各種非對(duì)稱因素的影響，全部整流器機(jī)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(jì)需分析未治理前各種機(jī)組運(yùn)行方式運(yùn)行時(shí)的諧波特性，提供各種機(jī)組運(yùn)行方式運(yùn)行時(shí)的整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波電流及諧波電壓畸變率,給出各種運(yùn)行工況的仿真結(jié)果并對(duì)各種運(yùn)行方式下的電能質(zhì)量進(jìn)行比較。

2.5整流器機(jī)組濾波補(bǔ)償裝置技術(shù)方案

1)單臺(tái)整流變補(bǔ)償容量的確定

為了滿足電力部門對(duì)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(jì)需要達(dá)到的一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。補(bǔ)償容量與很多因素有關(guān)，按整流變壓器最大補(bǔ)償能力，飽和電抗器線性、系統(tǒng)截止頻率、單臺(tái)電容器電壓暫為固定計(jì)算，所需要的無功補(bǔ)償容量根據(jù)以下公式計(jì)算：

Q =P(tgΦ1-tgΦ2)

式中： P為有功功率；

Q為需要補(bǔ)償?shù)臒o功容量；

cosΦ1、cosΦ2為補(bǔ)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(yùn)行工況，應(yīng)按正常運(yùn)行方式考慮各套整流機(jī)組的濾波補(bǔ)償方案。設(shè)計(jì)的濾波補(bǔ)償裝置，須同時(shí)兼顧諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償雙重職責(zé)，應(yīng)按如下原則設(shè)計(jì)：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(gè)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(gè)濾波支路的電容器額定電壓；④根據(jù)串、并聯(lián)臺(tái)數(shù)以及保護(hù)方式，確定各個(gè)濾波支路的單臺(tái)電容器容量；⑤根據(jù)多個(gè)仿真計(jì)算的結(jié)果，確定各個(gè)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(diǎn)的系統(tǒng)最高運(yùn)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(diǎn)，可計(jì)算出各個(gè)濾波支路的最終參數(shù)。

對(duì)單調(diào)諧濾波電容器的額定電壓可采用下式進(jìn)行計(jì)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(shí)電網(wǎng)最高運(yùn)行電壓(kV)。

對(duì)濾波電容器最小安裝容量可采用下式進(jìn)行計(jì)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(duì)濾波電容器容量利用率最高時(shí)的安裝容量可采用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中：Sn為濾波電容器容量利用率最高時(shí)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(jì)算網(wǎng)絡(luò)，利用專用計(jì)算機(jī)仿真程序進(jìn)行諧波潮流和諧波阻抗的計(jì)算和分析；提供各工況下濾波補(bǔ)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(bǔ)償裝置投入后220 kV側(cè)電壓、電流波形并對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析。

2.7運(yùn)行安全穩(wěn)定性

1)給出各運(yùn)行工況的最小、最大運(yùn)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(dòng)計(jì)算校核。

濾波支路投入后引起的電壓波動(dòng)按照以下計(jì)算公式計(jì)算：

式中：dmax為濾波支路投入后引起的電壓波動(dòng)值；

S為220 kV母線短路容量；

Q為單組濾波器補(bǔ)償容量。

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

2.8濾波補(bǔ)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(huì)出現(xiàn)擊穿、膨脹甚至爆炸事件，所以電容器的安全運(yùn)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(xiàng)安全性能校驗(yàn)。確保各運(yùn)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(bǔ)償裝置支路都能安全運(yùn)行。

1)過電流校驗(yàn)

濾波電容器的過電流校驗(yàn)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(yàn)

濾波電容器的過電壓校驗(yàn)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(jì)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(jìn)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(jì)算結(jié)果：應(yīng)提供治理前、后各種機(jī)組運(yùn)運(yùn)行工況時(shí)，整流機(jī)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(yùn)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(bǔ)償量計(jì)算過程。

4)單組濾波器投切引起的電壓波動(dòng)計(jì)算校核：?jiǎn)谓M濾波器投切引起的電壓波動(dòng)計(jì)算校核應(yīng)分別按最小、最大運(yùn)行方式下各個(gè)濾波器組投入后在220 kV母線引起的電壓波動(dòng)考慮。

5)濾波電容器必須通過過電流、過電壓校驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者在某電解鋁項(xiàng)目諧波治理專篇設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)踐證明，一個(gè)內(nèi)容完善而優(yōu)良的諧波治理專篇設(shè)計(jì)，不僅給專篇的審查帶來了便利，同時(shí)也給后續(xù)設(shè)備招、投標(biāo)工作提供了理論依據(jù)，對(duì)電網(wǎng)以及整流和供電設(shè)備的正常運(yùn)行提供了有力的保障。因此，加強(qiáng)和規(guī)范諧波治理的專篇設(shè)計(jì)具有重大的意義。

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

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

[3] 國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[4] 劉懺斌,等.硅整流所電力設(shè)計(jì)[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(jí)工程師.主要研究方向：供配電及電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì). E-mail：543061146@qq.com.

TM72

A

1004-2660(2016)01-0041-04