魏玉紅

（青海省工業(yè)技師學(xué)院，青海 西寧 810021）

0 引言

近年來，隨著電力電子制造工藝的元件不斷完善和發(fā)展，大功率整流和逆變裝置被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，比較典型的應(yīng)用包括變頻器、全波整流裝置和直流弧焊機(jī)等多種電氣設(shè)備。作為電解電容器陽極的鋁化成箔制造廠，受制造工藝和產(chǎn)能的限制，單條生產(chǎn)線多采用五級化成模式，每級化成電解槽供電電源分別采用直流大功率整流裝置，單條生產(chǎn)線使用5臺大功率三相橋式整流裝置，由一臺五繞組整流變壓器提供交流電源，整流變?nèi)萘?000KVA，五級供電電壓分別為F1:170V F2:329V F3:420V F4:450V F5:490V。一次側(cè)10k V通常一個車間設(shè)置30條生產(chǎn)線。最大運(yùn)行工況：150臺整流裝置同時運(yùn)行，最小工況5臺整流裝置運(yùn)行。如此眾多的非線性電源同時運(yùn)行，極易產(chǎn)生高次諧波及其適量疊加現(xiàn)象，對工廠電網(wǎng)及上級電網(wǎng)帶來了極大的隱患，電壓突變，絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿時有發(fā)生，消除諧波隱患成為迫在眉睫的任務(wù)[1]。

1 諧波測試及分析

被測試車間10k V系統(tǒng)主接線圖如圖1所示，該車間為三組10k V電源進(jìn)線，為便于生產(chǎn)組織和靜電電容補(bǔ)償投切，每組進(jìn)線均采用均采用單母分段運(yùn)行，Ⅰ、Ⅱ段母線間設(shè)母聯(lián)開關(guān)，其中Ⅰ段母線4回生產(chǎn)負(fù)荷出線，1回動力負(fù)荷出線，1回靜電電容補(bǔ)償出線，1回母聯(lián)出線，供電容量為12000k VA。Ⅱ段母線6回生產(chǎn)負(fù)荷出線，供電容量為18000k VA。

圖1 10KV系統(tǒng)主接線圖

1.1 諧波測試方案

（1）選取單臺整流變負(fù)載運(yùn)行情況，其他9臺整流變均停運(yùn)；目的：了解單套整流裝置固有諧波分量情況。

（2）選取10k VⅠ段負(fù)載運(yùn)行（4臺整流變）情況，其他6臺整流變均停運(yùn)；目的：了解4套整流裝置并列運(yùn)行時諧波分量矢量疊加情況。

（3）計算10k VⅡ段負(fù)載運(yùn)行（6臺整流變）情況；

（4）測試點(diǎn)選?。?單臺整流裝置滿載運(yùn)行時，測試點(diǎn)選擇出線斷路器負(fù)載側(cè)；四套整流裝置并列滿載運(yùn)行時，測試點(diǎn)選擇在10k VⅠ段母線；

（5）測試方法：采用KN-615電能質(zhì)量在線監(jiān)測儀，筆記本電腦后臺數(shù)據(jù)存儲，電壓信號引自10k VⅠ段母線進(jìn)線柜PT二次試驗端子；電流信號引自CT二次端子，其中接入電能質(zhì)量分析儀的電壓信號采用并聯(lián)連接，電流信號串聯(lián)連接

（6）測試內(nèi)容：一般情況下諧波測試的次數(shù)多為2至19次諧波，本次測試，由于負(fù)載側(cè)為多臺整流變壓器并聯(lián)與母線，且均為等效6脈拍設(shè)計，同期負(fù)載運(yùn)行為其基本運(yùn)行方式，理論上分析，單臺負(fù)載運(yùn)行諧波分量一般不超標(biāo)，多臺同時運(yùn)行時，高次諧波矢量疊加后超標(biāo)，為了準(zhǔn)確分析特征諧波量的變化規(guī)律，測試至25次諧波[2]。

1.2 測試數(shù)據(jù)及分析

（1）單臺整流變負(fù)載運(yùn)行情況：

①實測數(shù)據(jù)（見表1）。表1中所列諧波國標(biāo)限值為當(dāng)基準(zhǔn)短路容量為100MVA時，計算所得的國標(biāo)限值。

表1 單臺整流變負(fù)載運(yùn)行諧波測試 （單位：A）

②實測數(shù)據(jù)分析。單臺整流變負(fù)載運(yùn)行時，由于整流裝置采用6脈拍設(shè)計，整流變二次繞組為同心式繞組，彼此間隔15°電角度，經(jīng)五組整流裝置整流后直流電壓作為負(fù)荷工作電壓，所產(chǎn)生的諧波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次諧波。但滿足國標(biāo)限制條件，符合電網(wǎng)綠色運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)[3]。

（2）10k VⅠ段負(fù)載運(yùn)行（4臺整流變負(fù)載運(yùn)行）情況：

①實測數(shù)據(jù)（見表2）。表2中所列諧波國標(biāo)限值為當(dāng)基準(zhǔn)短路容量為100MVA時，計算所得的國標(biāo)限值。

表2 四臺整流變負(fù)載運(yùn)行情況諧波測試 （單位：A）

②實測數(shù)據(jù)分析。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，4臺整流變同時負(fù)載運(yùn)行時，10KV母線5次、11次、14次、20次、25次諧波超標(biāo)，對照單臺整流變負(fù)載運(yùn)行諧波分量主要集中在5次、14次、19次、23次、25次諧波檢測結(jié)果來看，諧波分量適量疊加現(xiàn)象明顯，5次、14次、25次諧波直接疊加，11次、19次、20次、23次諧波隨機(jī)疊加。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：

①整流變壓器繞組結(jié)構(gòu)基本一致，二次繞組相隔電角度一致，整流設(shè)備工作方式、額定電流一致，存在著設(shè)備固有諧波發(fā)生機(jī)理造成部分諧波直接疊加。

②每條生產(chǎn)線制造的鋁電解電容器陽極箔耐壓等級不同，五級化成槽所加電電壓不同，對應(yīng)整流裝置輸出功率不一致，橋式全波整流電路導(dǎo)通角θ大小不等，設(shè)備負(fù)載率不一致，導(dǎo)致存在諧波隨機(jī)疊加的現(xiàn)象，11次、19次、20次、23次諧波隨機(jī)疊加現(xiàn)象明顯[4]。

1.3 諧波測試結(jié)論

（1）國標(biāo)GB14549．93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》明確了諧波電壓允許值，對比實測數(shù)據(jù)可知：多臺整流變同時負(fù)載運(yùn)行時，由于存在疊加現(xiàn)象，諧波超標(biāo)，集中在5次、11次、14次、20次、25次，當(dāng)系統(tǒng)處于最大運(yùn)行方式時，諧波將嚴(yán)重超標(biāo)，危及到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）整流裝置是該系統(tǒng)的主要諧波源。在設(shè)備設(shè)計階段已充分考慮諧波影響，整流裝置采用六脈拍形式，整流變壓器二次繞組采用移相設(shè)計，較好地解決了單臺運(yùn)行時諧波的超限，但由于多臺同時運(yùn)行，導(dǎo)致諧波超標(biāo)。

（3）實測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)是一致的。

（4）在整流變壓器正常工況運(yùn)行條件下，負(fù)載及所產(chǎn)生的的諧波分量及其變化率均較穩(wěn)定。

2 諧波抑制措施

2.1 系統(tǒng)諧波抑制措施的選擇

鑒于本系統(tǒng)整流裝置已采用移相措施，整流變二次繞組設(shè)計時彼此相差15o電角度，且整流裝置已采用6脈拍多重化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)存在的諧波為多套整流設(shè)備同時工作情況下的疊加所致（單臺測試數(shù)據(jù)可表明）；也就是說，在受端治理與主動治理條件下，無法避免諧波的產(chǎn)生和疊加，需采用被動治理手段方可完成諧波的抑制。

根據(jù)系統(tǒng)諧波特征研究結(jié)論，綜合經(jīng)濟(jì)性和可靠性原則，采用無源濾波技術(shù)，即在每段母線上設(shè)計一套動態(tài)補(bǔ)償濾波裝置，集中治理母線上的各次諧波。

根據(jù)系統(tǒng)中實測諧波含量的情況，設(shè)置2個補(bǔ)償濾波支路，分別是5次兼高通濾波支路，11次兼高通濾波支路。濾波支路采用偏調(diào)諧濾波技術(shù)，用于針對某次及以上各次的諧波治理。其中5次兼高通濾波支路的作用是抑制5次及以上諧波，并防止高次濾波支路對7次等諧波進(jìn)行放大，影響濾波效果。11次兼高通濾波支路的作用是濾除11次及以上的各次諧波，減少高次諧波對用電設(shè)備的影響。

2.2 濾波支路設(shè)計

（1）濾波支路的基本原理。圖2（a）為濾波支路的基本電路原理圖，圖2（b）為濾波支路的阻抗—頻率特性。

圖2 （a）濾波支路的基本電路原理圖 （b）濾波支路的阻抗—頻率特性

（2）濾波支路傳遞函數(shù)與特性參數(shù)。

濾波支路傳遞函數(shù)為：

特性參數(shù)

式（1）中：UR——濾波支路等效阻抗端電壓；U——濾波支路電壓；S——濾波支路視在功率；——濾波支路基波角頻率；R——濾波支路等效阻抗；C——濾波支路等效容抗；L——濾波支路等效感抗

（3）阻抗—頻率特性。

濾波支路在n次諧波下的阻抗及其模值，簡化后可得

圖2（b）為濾波支路的阻抗—頻率特性。通過對標(biāo)出了的阻抗-頻率曲線的拐點(diǎn)研究可得出下面的結(jié)論（見圖2（b））：

①在點(diǎn)O～A之間，是一個低阻區(qū)間；

②C點(diǎn)是電壓諧振點(diǎn)，此點(diǎn)分界出了容性阻抗感性阻抗區(qū)間；

③當(dāng)Q≥3時，B和C點(diǎn)很接近于O點(diǎn)；

式（2）、（3）中：Zn——濾波支路在n次諧波下的阻抗；|Zn|——濾波支路在n次諧波下的模值；Q——濾波支路在n次諧波下的無功功率；n0——濾波支路基波；

表3 濾波支路特殊點(diǎn)諧波次數(shù)與阻抗關(guān)系

（4）濾波支路參數(shù)選擇與計算方法。

①的選擇應(yīng)使單頻調(diào)諧濾波器之外的諧波進(jìn)入高通濾波器的通帶。

②選Q值為3至4之間為佳，Q值不宜太高，否則有功損耗的顯著增加影響。濾波效果；Q值也不宜太低，否則C點(diǎn)將遠(yuǎn)離O點(diǎn)，即通帶內(nèi)容性阻抗范圍變寬，這可能與母線上其它感性負(fù)載發(fā)生并聯(lián)諧振而危及設(shè)備安全。尤其重要的是取Q=3～4時，可使n A=2左右，利用nO～nA之間的低阻特性可以兼顧諸如2.5次、3.5次等諧波的抑制。

濾波支路的參數(shù)可用下式計算：

對于基波，滿足R＞＞ωL，則：

③濾波支路參數(shù)確定。

表4 母線在4臺整流變運(yùn)行時負(fù)荷數(shù)據(jù)

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，按6臺整流變?nèi)抗ぷ鲿r，母線上的有功功率按單臺的六倍計算約8220KW，功率因數(shù)由0.78提高到到0.92，基波補(bǔ)償容量需要3100kvar的。本次設(shè)計濾波支路，考慮系統(tǒng)中諧波的含量，以及該母線電壓一般運(yùn)行在10.5KV左右，因此電容器采用額定電壓為的并聯(lián)濾波電容器。

表5 4臺整流變分別單臺運(yùn)行時的負(fù)荷數(shù)據(jù)

5次兼高通濾波支路的基波補(bǔ)償容量2100kvar，11次兼高通濾波支路的基波補(bǔ)償容量1000kvar。通過計算，5次兼高通濾波支路的電容器安裝容量為3000kvar時，基波輸出容量2205kvar，濾波容量67A。11次兼高通濾波支路的電容器安裝容量1500kvar，基波輸出容量1067kvar，濾波容量39A。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計補(bǔ)償濾波支路，可以滿足該系統(tǒng)下的各種補(bǔ)償濾波要求。考慮該段母線中生產(chǎn)線運(yùn)行情況，配套一臺容量為1800kvar的磁控式可調(diào)電抗器，實現(xiàn)無功功率在3200-1400kvar之間連續(xù)可調(diào)，能滿足該供電母線2-6臺整流變同時運(yùn)行時的無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)需求，即使補(bǔ)償濾波支路不做投切，也可實時穩(wěn)定功率因數(shù)在0.92以上，且不會出現(xiàn)過補(bǔ)的情況[5]。實際濾波支路原理圖如圖3所示。

圖3 濾波支路原理圖

3 諧波抑制效果仿真

按圖3示濾波支路原理圖，利用PSIM電力電子仿真軟件，用其強(qiáng)大的元件庫，構(gòu)筑仿真原理，選擇參數(shù)運(yùn)行濾波器分析程序。如圖1所示，在10KVⅠ段母線上并聯(lián)5次兼高通濾波支路和11次兼高通濾波支路，同時并聯(lián)一個磁控式可調(diào)電抗器支路，使無功功率在3200-1400kvar之間連續(xù)自動可調(diào)。

3.1 仿真電路主要參數(shù)

（1）仿真回路工作頻率：50Hz；

（2）仿真節(jié)點(diǎn)分別選自三個支路母線連接點(diǎn)；系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓根據(jù)現(xiàn)場實際情況選定為10.5KV；

（3）濾波系統(tǒng)總阻抗仿真給定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（4）濾波器阻抗仿真給定值：fmin=50Hz；fmax=1045Hz；fCYC=5Hz；

（5）諧波仿真給定值：諧波次數(shù)總數(shù)：12；Pe=1.8187MVA；Ue=10.5KV；Ie=100.0026A。

3.2 仿真數(shù)據(jù)

（1）諧波源：

（2）支路總電流：

（3）濾波器投入情況下母線電壓：

4 結(jié)語

對于以多個直流電源為主要工作電源的電解電容器陽極箔生產(chǎn)線而言，單條生產(chǎn)線所產(chǎn)生的諧波不足以危害到電網(wǎng)安全，多臺生產(chǎn)線同時運(yùn)行時可諧波疊加現(xiàn)象嚴(yán)重，引發(fā)母線電壓畸變，功率因數(shù)滯后，損耗加劇，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全和企業(yè)正常生產(chǎn)，盡管在設(shè)備選型時整流變壓器和整流裝置已采取移相和六脈拍處理，但仍無法避免諧波危害，因此，采用被動治理方式已成為必然之選。本文以具體工廠為例，通過實測諧波危害，研究諧波產(chǎn)生機(jī)理，因地制宜提出分別并聯(lián)5次兼高通濾波器+7次兼高通濾波器+磁控電抗器治理方式，本方式抑制諧波效果明顯，在不同負(fù)載率情況下有功電流可降低10—15%左右，母線電壓平穩(wěn)，波動幅度得到有效的改善，在多臺整流裝置同時運(yùn)行企業(yè)推廣價值巨大。