铝电解供电系统电能质量研究

2012-09-22，，

电气传动 2012年11期

关键词：铝电解无源有源

，，

（1.淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏淮安 223300；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221116；3.淮安供电公司集体资产运营中心，江苏淮安 223300）

1 引言

随着国民经济的发展，铝材的需求越来越多，铝电解作为铝材生产的重要一环，需要大量的电力能源。因此供电系统在铝电解的过程中具有十分重要的地位。对其电能质量进行研究，有利于生产设备的安全、高效运行［1］。

本文结合徐州电解铝厂实际运行中5次滤波通道电容经常发生故障的问题，对整流电网进行测试与治理研究。

2 铝电解整流供电网特点

在铝电解的生产过程中主要是对熔盐进行电解来获得其含有的金属铝。因此其铝电解供电网具有以下特点。

1）谐波含量高：由于电压和功率等方面的限制，目前铝电解所需要的直流电源大部分采用不可控的整流系统获得，不可避免的会产生很多高幅值的特征次谐波，在一定工况下有时还会产生非特征次谐波。

2）功率因数低：铝电解供电网中包含有调压变压器、整流变压器，变压层数较多，无功需求大，导致功率因数较低。

3）用电量大供电可靠性高：作为铝电解生产过程中的主要能源，需求量大，且对供电可靠性要求高，一旦停电，整个生产将停止，若停电时间长还会损坏电解槽。

3 测试与分析

3.1 电网结构

该电解铝厂电网结构如图1所示。

图1 电网结构图Fig.1 Grid structure

系统共3条进线，分别是西进线，东进线和厂内发电机组供电线路。3条进线通过断路器分别接入母线1和母线2。6台整流机组中1，3，5号机组接在母线2；2，4，6号机组接在母线1，2台动力变压器分别接在两端母线上。母线1与母线2采用并联运行方式，全厂的大部分负荷容量由厂内发电机组提供，厂发电机组为135MW。整流变压器为江西变压器厂生产的型号为ZHSFPTB89000／110，额定容量89 000kV·A，额定电流467A，额定电压110／0.828 5kV。整流机组为西安电力电子研究所生产，型号ZES－2×38 kA／1 000V，每个整流机组包含2台整流器，单台整流器额定电流为38kA，额定电压1 000V。按N＋1台原则选择整流机组，机组台数取6台，其中1台备用。正常时6台机组运行；当一组整流机组故障或检修时，其余5台机组仍能满足电解系列正常生产。每台机组均设有5，7，11次无源滤波通道。

3.2 测试数据

由于铝厂目前绝大部分负荷由厂内发电机组提供，因此将数据测试点设在发电机组升压变压器处。测试仪器采用美国的三相电能质量记录仪FLUKE1760。110kV母线基准短路容量为750 MW，最小短路容量为1 500MW，公共连接点的供电设备容量为584MW，电压互感器变比为110 kV／100V，电流互感器变比为1 200A／5A，表1为电压总谐波畸变率，表2为各次谐波电流值以及根据国标GB－T14549－1993可计算出各次谐波的国家标准，表3为1＃整流器所对应的5次滤波支路主要谐波数据。

表1 电压总畸变率Tab.1 THD－U

表2 各次谐波电流值Tab.2 The harmonic current value

表3 5次滤波支路主要谐波数据Tab.3 The main harmonic value of 5filter

3.3 数据分析

根据国家标准GB－T14549－1993，110kV各相电压总谐波畸变率为2%，从测试数据可以看出各相电压总谐波畸变率均低于2%，公共连接点处的谐波均在国家标准范围之内，但5次谐波偏大。由于5次滤波通道在整流变压器2次侧与整流装置并联，分析其故障原因可能为过流引起，下面计算其实际流过的电流是否超过额定电流。电容额定容量0.7Mvar，额定电压0.8kV。

根据下式可计算出电容器的额定电流为

5次滤波通道中实际流经电容器的电流根据下式可以得出：

可以看出流经电容的实际电流远超过其额定值。

4 治理措施研究

要解决这个问题，一种方法是更换电容重新设计5次滤波支路。另外一种方法是撤销各整流器单独的滤波通道，在母线处进行集中治理。文章从第2种方法出发研究其治理措施。考虑到要对无功与谐波进行综合治理，项目中采用混合型有源滤波器系统对电网的无功及谐波进行补偿。其中无源滤波器承担大部分的谐波电流抑制和无功补偿任务，有源滤波器则用于改善无源滤波器的滤波效果和抑制无源滤波器可能与电网发生的谐振，保证电网的安全及生产的正常进行［2］。治理点设置在110kV母线上，将各台整流器的无源滤波通道撤销。同时混合型有源滤波器设置5，7，11次滤波通道。连接图如图2所示。

图2 混合型有源滤波器连接图Fig.2 The connection of hybrid power filter

电压源逆变器输出电压通过耦合变压器连接到无源滤波器的5次滤波支路的电感L5和电容C52两端（其中C51，C52和L5组成的5次滤波支路，L5与C52调谐在基波频率。利用L5和C52对基波谐振的特性，使基波电压极大部分降落在电容C51上，有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流，极大地减小了有源滤波器的容量，降低了混合有源滤波器的技术难度和成本，实现了混合有源滤波器在大容量场合的应用［3］。文献［4］给出了无源滤波器优化配置的方法，文献［5］给出了有源滤波器容量的计算方法。利用这两种方法根据已测的数据，确定滤波通道的主要参数如表4所示，有源滤波器的参数如表5所示。

表4 滤波通道主要技术参数Tab.4 Main parameters of filter

表5 有源滤波器参数Tab.5 Parameters of APF

连接电感值为1mH，直流侧电容取值为4 000μF／1 000V。耦合变压器容量为100kV·A，Y－Y12连接方式，变比K＝2。混合型有源滤波器投入后已稳定运行半年。图3为装置投入前后电流波形对比，可以看出治理效果良好。经过测量110kV母线功率因数达到0.99，各相电压总谐波畸变率小于0.23%，电流总谐波畸变率低于1%。