电解铝整流供电系统中的无功补偿及高次谐波的抑制

李建勇 刘泽

摘要：在如今很多企业为减少开支，首先节约电能的使用，从而降低生产成本。必须对电能的质量有效提升，电解铝整流供电与无功补偿、高次谐波抑制紧密相联，而加装滤波补偿装置能有效地无功补偿和消除谐波危害。

关键词：动态无功补偿；工程应用；电力电子技术；谐波抑制

由于一些大的用电单位对电网的供电质量造成不同程度的影响，产生大量的各种谐波分量，直接影响电网的供电质量，同时，作为一个电解铝企业，其整流供电的功率因数一旦低于0.9，则直接使设备的输出功率降低，设备的绝缘发热老化，效率降低，另外也给电网增加了负担，降低了电网的输电能力，所以加装滤波补偿装置是电解铝整流供电的一项举措。

一、高次谐波的危害

由于电网供电电压并非理想的正弦波，而整流供电二极管的单向导电作用，在正反向电压作用下，其阻值迥然不同，因而整流装置从交流电力系统取的电流也是非正弦波的，这种非正弦交流波形根据系统参数，整流装置相数，接线和运行条件的不同而发生很大畸变，而产生的这些谐波危害极大，主要为：⑴直接危害用电设备的绝缘，降低电气设备的使用寿命。⑵产生严重的电压波动，使三相不平蘅，容易使电容器击穿。⑶谐波可以使继电保护发生误动作，造成巨大的经济损失。⑷谐波所产生的电压闪变，对高精度电子设备产生极大的影响。⑸谐波对人体也产生较大的危害。

二、无功补偿与高次谐波抑制的现状

2.1无功功率补偿方法的现状

无功补偿通常采用通常方法和补偿装置两种，其通常采用的方法有三种：高压集中补偿、低压集中补偿、低压个别补偿。

1.高压集中补偿

相关装置能够以负荷大小为参照依据进行适当的自动切换，合理提高用户功率因数，由此有效避免功率因数有所降低，进而致使电费增多。与此同时，高压集中补偿能够为其正常运行和日常维护提供便利条件，补偿效益较高。

2.低压集中补偿

使无功可就地平衡，接线操作较为简便，降低了日常运行条件下的维护工作量，提高资源利用率，有效使网损降低，提高经济效益，当前一般广泛应用于无功补偿领域中。

3.低压个别补偿

该方法投资少，占地小，暗装操作简单灵活，日常维护工作也较为简单，且具有较高安全性。

2.2高次谐波抑制的现状

在运行中，电容值发生变化是因为滤波装置的电感不改变，将根据其谐振点进行调试。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，谐波系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷，成为高次谐波源或谐波源。

三、电网中含有谐波情况下的无功补偿

3.1对谐波源负载的补偿

当电网接有谐波源负载时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路。

在5次谐波频率下电网具有谐振，并联阻抗Xp大大升高，由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍，即谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。

3.2电容器回路串电抗

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现出很低的阻抗（理论上为0）。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波，则称为失諧滤波回路。失谐波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。纯滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时补偿基波无功功率。

在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。

当电容器采用△形接线，则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%～98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变，滤波回路除了输出基波无功功率外，还要承受谐波负荷，多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。

3.3滤波回路的无功功率调节

由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波，所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性，只能对各个回路进行投切，投入的顺序为从低次到高次，切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置，可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法。

如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性，另一个呈容性，则会产生并联谐振，使谐波放大。

经过经济技术比较需要采用并联方式，可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性，即ωr

如果既要吸收谐波，又要保持调节的灵活性，可以采用并联支路的方式，即若干个同次滤波回路同时接入电网，各支路的电容同时并联，形成一个总的滤波回路，调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。

3.4滤波回路的选择

选择滤波回路有以下两个原则：

⑴主要用于吸收谐波，降低电网电压畸变，基波无功补偿居次要位置。

⑵提高电网功率因数，同时吸收谐波，电容器容量按无功补偿的要求配置。

四、结束语

由于一些用电企业对电网造影响，所产生的各种谐波分量，会影响到供电的质量。谐波所产生危险并与之带来的后果，将对电力系统造成谐波抑制，今后用电解铝整流供电系统中的无功补偿及高次谐波的抑制，才能达到延长使用者设备的寿命，提高品质安全，降低能耗，提高电能利用率等目的。

参考文献：

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（作者单位：包头铝业有限公司）