离子膜法烧碱整流电源系统中谐波的分析计算与消除措施

方 鹏 郭林娜

(1.宁夏华御化工有限公司,宁夏 中卫 755500；2.中石化南京工程有限公司,南京 211100)

随着电力电子技术的发展，非线性设备在化工企业中被广泛应用，为人们带来方便的同时，也产生了谐波污染的问题。整流电源系统是为离子膜烧碱工艺中电解食盐提供电源的，由于其变压器的特殊性和整流装置的非线性特征，对整流电源系统的谐波进行分析计算和治理十分必要。笔者以中石化南京工程有限公司新建10万t/a离子膜烧碱装置的整流电源系统中的谐波分析计算为例，提出从整流变压器和可控硅整流柜本身抑制谐波的方法和基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法。

1 谐波限制的规定和计算①

根据GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》的规定，公用电网谐波电压(相电压)的限制见表1。

表1 公用电网谐波电压(相电压)的限制

公共连接点是用户接入公用电网的连接处，公共连接点的全部用户在该点的谐波电流分量(方均根值)不应超过表2规定的允许值[1]。

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值

当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2的基准容量时，按下式修正表2中的谐波电流允许值[2]：

(1)

式中Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A；

Ihp——表2中的第h次谐波电流允许值，A；

Sk1——公共连接点的最小短路容量，MVA；

Sk2——基准短路容量，MVA。

2 整流电源系统及其典型负荷分析计算

中石化南京工程有限公司新建的10万t/a离子膜烧碱装置，设有5台ZMBC-2.7A型自然循环复极式离子膜电解槽，整流电解负荷约37 110kW。根据离子膜烧碱电解工艺操作电压和操作电流的要求，电解整流系统的整流电源由5套整流机组组成，每套机组由一台有载调压整流变压器和一台整流柜对应组成。有载调压整流变压器的一次电压为35kV，输出电流8 655kA；整流柜输出直流电压530V，输出直流电流14kA。整流柜采用可控硅，整流方式采用三相桥式整流非同相逆并联接线，调压方式采用有载开关粗调结合可控硅细调，来实现全电压范围内的电压调整。

整流电源系统的结构如图1所示，其进线分别引自新磷降110kV的总降压站的两段母线。

图1 整流电源系统结构示意图

用户向公用电网注入谐波电流的电气设备和在公用电网中产生谐波电压的电气设备统称为谐波源。整流电源系统中主要的谐波源为有载调压整流变压器和可控硅整流柜。为了有效消除或减轻谐波对电网的污染，在设计和建设整流电源系统时，必须按照国家标准采取抑制或消除谐波的措施。

2.1 整流变压器

作为整流电源系统用的变压器称为整流变压器。为了提高电能质量，整流变压器的输出电压波形是根据阀侧电压和装机容量来确定每台变压器在一个周期内的脉波数的，大多数整流变压器的脉波数不小于6。同时，为了弥补电网电压波动而引起的直流电压变化，并考虑到负载本身的需要，整流变压器的阀侧电压必须能在一个较大的范围内进行调节。如食盐电解负载的电压调节范围为60%～105%，为了满足工艺要求，每天的调压次数比较频繁，个别企业调压次数甚至高达100次/d。因此，诸如SYXZ型有载开关使用1～2年就要进行维修和更换。而在实际工业使用中，为了延长有载开关的寿命，常采用饱和电抗器和可控硅作细调。

整流电源系统中一般采用相控调压的方式，即在整流电路的阀侧直接控制可控硅整流柜导通的相位角度，可以平滑地调节整流电压的平均值。采用相控调压的整流电压波形如图2所示，其中eda为整流电压的平均值；U2为绕组电压；q为换相次数；α为相控角。

图2 采用相控调压的整流电压波形

对于大功率整流设备，为提高其功率因数，减少网侧谐波电流，必须提高整流设备的脉波数，在此笔者采用移相方法来实现。移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移，用以提高整流设备的脉波数。

当单台整流变压器的脉波数为6时，机组脉波数P与各台整流变压器移相角α之间的组合关系见表3。

表3 机组脉波数与各台整流变压器移相角度的组合关系

整流电源系统的变压器采用移相绕组进行移相，每台等效为12相，通过移相，其中一组等效为24相，另一组等效为36相。整流电源系统产生的23次谐波电流最大幅值百分数为4.3%，25次谐波电流的最大幅值百分数为4.0%，35次谐波电流的最大幅值百分数为2.9%，37次谐波电流的最大幅值百分数为2.7%。

2.2 可控硅整流柜

根据工艺要求，离子膜烧碱首先要电解食盐。整流电源系统采用可控硅整流柜作为电解设备的直流电源。这类整流柜需要提供强大的直流电源，并且一旦投运就必须实现连续供电，不允许停电。可控硅整流柜常用的联结型式是六脉波双星形带平衡电抗器联结和三相桥式联结。

在电化学化工工艺过程中，由于电解槽段的电压变化和用户需对电解槽数目的增、减原因，以及电化学用换流器的输出电压进行调整。可控硅整流柜的调压方式有抽头变压器、调压器、饱和电抗器及各种组合方式等。

在含整流柜的电网中(图3)，将会出现谐波电流。

谐波电流次数h=kp±1(其中p为脉波数，k为正整数)，则第h次谐波电流Ih的占有率为：

(2)

式中f(μ,α)——μ和α的函数，f(μ,α)≥1；

I1——基波电流；

α——相位控制角；

μ——重叠角。

三相桥式整流柜负荷电流的谐波次数、谐波电流和占有率(理论最大值)见表4。

表4 三相桥式整流柜负荷电流的谐波次数、谐波电流和占有率(理论最大值) %

2.3 装置谐波计算

根据对电网和氯碱企业的电能质量调查显示，老化工企业接入配电网的谐波超标现象明显，其中用户谐波电压一般不存在超标现象，而谐波电流超标比较普遍，并且对电能质量造成明显影响。因此，对电能质量进行预防性设计是十分必要的。

35/0.4kV降压站中，可控硅整流柜采用三相桥式整流，由于其谐波电流次数为5，7，11，13，17，19，…，为了改善电网的谐波，在整流电源系统设计时，对变压器和整流柜进行了综合考虑。整流柜采用三相桥式整流非同相逆并联接线，由于系统有5台相数相同的整流装置，因此给变压器二次侧设置适当的相角差，即变压器加移相线圈，使得变压器间有15°的相角差。这样其中两台12脉波整流柜等效为24脉波，另外3台等效为36脉波[3]。由于整流相数与谐波次数密切相关，整流相数越多，谐波最低次数越高，谐波电流越小。因此，最小谐波电流次数为23次，其理论占有率仅为全电流的0.1%，折算后满足电能质量要求。

110/35kV总降压站中，整流变电所在公共连接点利用式(1)进行计算，结果显示：由整流装置引起的谐波现象在接入电网时皆满足国家规定。采用谐波治理后的谐波电流频谱如图4所示。

图4 采用谐波治理后的谐波电流频谱

3 谐波消除措施

根据谐波产生的原因和谐波对电网的危害，结合实际整流电源系统的设计结构，消除谐波主要从两个方面进行。

3.1 整流变压器绕组移相

对于整流变压器，抑制谐波的方法之一是对整流变压器高压侧(调变高压侧或整变高压侧均可)进行移相。这种方法基本上可以消除幅值较大的低次谐波。一般情况下，如果一套整流装置有两台整流变压器，则采用等效12相系统。不必专门移相，只需变换绕组的联结方式即可实现谐波的抑制。这种方法结构简单、方案成熟、性能可靠、效果明显、经济且应用广泛。

3.2 整流柜增加脉波

由于谐波电流与整流相数相关，相数越多，谐波含量越低，而且谐波的最低次数越高，谐波电流越小。因此提高整流变压器二次侧的相数和增加整流柜的整流脉波数，对消除低次谐波十分有利。同时，对于多台相数相同的整流装置，可以使整流柜的二次侧有适当的相角差，如增加移相线圈。二者的叠加效应可以使整流柜的等效脉波数翻倍，可减少注入电力系统的谐波。此外，还可以采用高功率因数整流柜，即通过对整流柜本身进行改造，使其尽量不产生谐波，成为电流和电压同相位的组合装置，这种整流柜被称为单位功率因数变流器。

对于烧碱的直流负载，每吨烧碱耗电约2 000～3 000度，对于10万t/a离子膜烧碱装置，每年耗电约2亿度。按每度0.5元计，一年消耗的电费为1亿元。按照新改造的整流设备，普遍节约能耗3%左右，即每年节约电费300万元。

以上两种方法均为改造谐波源本身的谐波抑制方法，如果整流变电所不是单独设立的，那么变电所中会有变频器及充电装置等其他谐波源，则还需要基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法，包括加装无源滤波器、有源滤波器[2]、静止无功补偿装置(SVC)以及多种方法的组合等。

4 结束语

整流元件的单向导电作用会引起整流装置交变磁场波形的畸变。即使供电电网电压为理想的正弦波，整流装置从交流电网取用的电流也是非正弦的。这些非正弦电流的流向，除了输入整流装置外，也同时反馈到电网。受整流装置谐波电流污染的电网电压，反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响，因而谐波电流和谐波电压是相伴而生、相互影响的。谐波水平是化工企业电力负荷接入电网前必须考虑的因素，也是供电部门对用户审核的重要指标。掌握系统中的谐波源及其分布，并有针对性地进行设计，做到同时设计、同时施工、同时投入使用的“三同时”原则，既可以从设备接线方式及系统配线方式等着手有效预防谐波，也可以为后期增加消除谐波装置节省费用。笔者将整流变压器和可控硅整流柜本身抑制谐波两种方法，应用于中石化南京工程有限公司新建的10万t/a离子膜烧碱装置的整流电源系统谐波治理中，取得了良好的经济效益。

[1] GB/T 14594-1993,电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社,2004.

[2] 李宠一.浅谈石化企业电气谐波及治理[J].石油化工设计,2013,30(2):38～40.