电解铝厂谐波治理研究

吕康飞1，董新伟2，范迪鹏3

( 1. 淮阴师范学院，2. 中国矿业大学，3. 淮安供电公司)

摘 要 以某电解铝厂实际运行时出现的问题出发，根据电网实际结构进行电能质量测试，发现 110kV 母线上电能质量达到要求，但整流变压器器 2 次侧的 5 次滤波通道有过流现象。结合电能质量治理新技术，采用混合有源电力滤波器进行治理，并给出了具体参数，治理效果达到要求。

关键词 电解铝 谐波 有源滤波器 过流

随着国民经济的发展，对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］。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。

1 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。

2 测试与分析

2. 1 电网结构

该电解铝厂电网结构如图 1 所示。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， 型 号 为 ZHSF-PTB89000 /110，额定容量 89000kVA，额定电流467A，额定电压 110 /0. 8285kV。整流机组为西安电力电子研究所生产，型号 ZES － 2 × 38kA/1000V，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 1000V。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 1 台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。

2. 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750MW，最小短路容量为 1500MW，公共连接点的供电设备容量为 584MW，电压互感器变比为110kV /100V，电流互感器变比为 1200A /5A，表1 为电压总谐波畸变率，表 2 为各次谐波电流值，表 3 为 1 号整流器所对应的 5 次滤波支路主要谐波数据。

2. 3 数据分析

从测试数据可以看出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。

在电容额定容量 0. 7Mvar，额定电压 0. 8kV时，根据电容器的额定电流

3 治理措施研究

要解决这种问题，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。该文从第二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 ( 图 2) 。

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 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。

连接电感值为 1mH，直流侧电容取值为4000μF /1000V。耦合变压器容量为 100kVA，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，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%。

4 结论

铝电解供电系统中，整流系统大部分采用多重化整流技术，造成各支路谐波严重而母线侧大部分谐波相互抵消。将混合型有源滤波器安装在母线上，不仅可降低各滤波通道的容量、提高功率因数，而且可以治理高次谐波，有效降低对公共电网的影响。

参 考 文 献

［1］ 吴思波，丁恩杰 . 电解铝厂电网独立运行分析与实践 ［J］． 煤炭工程，2008，( 11) : 53 －54.

［2］ 邓占峰，朱东起，姜新建 . 降低有源部分容量的混合电 力 滤 波 器 ［J］． 清 华 大 学 学 报，2003，43( 3) : 293 －295.

［3］ 范瑞祥，罗 安，唐 杰 . 谐振注入式有源滤波器数字化控制系统延时研究 ［J］． 中国电机工程学报2007，27 ( 13) : 104 － 107.

［4］ 王晓松，刘 军等 . 配电网无源滤波器的优化配置［J］． 高电压技术，2010，( 36) : 24 －29.

［5］ 吕康飞，国 芳等 . 油田注水站电能质量研究［J］． 化工自动化及仪表，2010，( 1) : 53 －55.