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电解铝整流设备22kV供电系统谐波治理与无功补偿

jiang_0514  发表于 2009/8/20 13:20:05      1605 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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电解铝整流设备22kV供电系统谐波治理与无功补偿 
 作者:  来源:输配电产品应用开关卷 总第78期
  1背景介绍:
  
  某铝业集团160kA整流系统有五个整流机组用于铝电解,为了提高功率因数以及解决整流系统产生的谐波电流问题,在每台整流机组22kV侧设计了无源滤波器,滤波器有3条滤波支路:5次、7次、12次滤波支路。但是实际运行过程中出现谐振,3次谐波电流被放大数倍,并且导致变压器严重损坏,于是拆除12次滤波支路,谐波电流放大问题得到解决,但是功率因数无法达到理想的状态,高次谐波电流也无法得到较好的抑制。
  
  根据厂方要求,需要对无源滤波器进行改造,制定新的高压滤波方案,提高系统功率因数至0.98以上,并且使22kV谐波满足国标要求。
  
  2情况分析
  
  无源滤波器设计时,不可避免会出现谐振点,所以在设计单调谐滤波器时,需要考虑谐振点使其避开整流系统产生谐波,而不出现谐振。在多滤波支路的情况下,会出现多个谐振点,这就给无源滤波器设计带来难度。
  
  原有系统滤波器示意图如图1所示

  
  图1原有系统无源滤波器示意图

  
   根据系统参数,我们建立无源滤波器数学模型,在系统阻抗不变情况下,通过软件仿真,得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图2所示:
  
  图2系统阻抗固定情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线

  在5次、7次支路基础上加入12次滤波支路,主要目的是滤除高次谐波(11次、13次及以上)。由图2可以看出,在频率为166Hz、299Hz、425Hz处发生谐振,尤其在166Hz处,增益较大为104倍,而且谐振点靠近150Hz(3次谐波)。可以看出流入电网5次谐波电流幅值为负载的0.022倍,说明滤波器对5次谐波电流滤波效率为97.8%;流入电网7次谐波电流幅值为的0.027倍,说明滤波器对7次谐波电流滤波效率为97.3%;流入电网11次谐波电流幅值为的0.058倍,说明滤波器对11次谐波电流滤波效率为94.2%;流入电网13次谐波电流幅值为的0.035倍,说明滤波器对13次谐波电流滤波效率为96.5%。总的来说,对5次、7次、11次、13次谐波的滤波效果还是不错的。但同时可以看出网侧3次谐波电流为负载的4.24倍,已经大于仅投入5次、7次支路时3次谐波电流时的2.02倍,而且166Hz谐振点靠近150Hz,如果谐振点再向150Hz方向偏移,就极有可能引起150Hz的电流被放大更多倍数,这就为系统可靠运行埋下隐患。
  
  如果系统短路容量或其它因素引起系统阻抗发生变化,重新建立无源滤波器数学模型,通过仿真,得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图3所示:
  
  图3系统阻抗发生变化情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
  
   由图3可以看出,谐振点已经非常接近150Hz,此时网侧150Hz频率处电流已经是负载该频率下电流的50.1倍,3次谐波发生谐振,这也就出现实际使用中3次非特征谐波放大现象,在设计12次滤波器支路时没有充分考虑到对3次谐波的放大作用,当系统阻抗发生变化时,就会发生谐振,所以这种情况下,为了保障安全只有拆掉12次滤波支路。
  
  3解决方案 
  
   通过对系统问题分析,需要在原有滤波支路基础上增加新的滤波支路,主要从三方面出发设计新的滤波器:避免系统发生谐振、提高系统功率因数、滤除高次谐波。
  
   综合考虑,在原有5次、7次滤波器基础上新增3次、11次滤波支路,经改造后的系统滤波器示意图如图4所示。
  
  图4改造后系统无源滤波器示意图
  
  根据系统参数,建立无源滤波器数学模型,在系统阻抗不变情况下,通过仿真,得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图5所示:
  
  图5系统阻抗不变情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
  
  由图5可以看出谐振点上出现的都是间谐波,整数次谐波离谐振点偏远,没有引起整数次谐波发生谐振。电网侧5次谐波电流是负载的0.025,说明滤波器对5次谐波的滤除率为97.5%;电网侧7次谐波电流是负载的0.024,说明滤波器对7次谐波的滤除率为97.6%;电网侧11次谐波电流是负载的0.109,说明滤波器对11次谐波的滤除率为89.1%;电网侧13次谐波电流是负载的0.214,说明滤波器对13次谐波的滤除率为79.6%。可见对5次、7次、11次、13次谐波电流达到了很好的滤波效果,并且不会在整数次谐波处发生谐振。
  
  如果系统短路容量或其它因素引起系统阻抗发生变化,重新建立无源滤波器数学模型,通过仿真,得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图6所示:
  
  图6系统阻抗发生变化情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
  
   由图6可以看出,在系统短路容量降为1048MVA时,相当于系统阻抗变大,此时采用3次、5次、7次、11/13次滤波支路的方式,仍未在整数次谐波处发生谐振,而且整数次谐波偏离谐振点仍较远。
  
   由理论分析可见,增加新的滤波支路后,不会发生谐振情况,即时系统阻抗变化,仍旧不会谐振,从而验证滤波器设计的安全性。
  
  4效果说明
  
   在整流机组不同工况下,对新增滤波器支路后的补偿效果进行测试,测试情况如下:
  
  工况1:整流机组输出电流36kA时,新增滤波支路前后电压、电流分布:
  
  表1工况1下增加滤波支路前后电流、电压分布

  
电压
基波(kV)
3次(kV)
5次(kV)
7次(kV)
11次(kV)
13次(kV)
THDu(%)
新增前
11.95
0.1
0.16
0.17
0.43
0.29
4.8
增加后
11.60
0.06
0.19
0.18
0.15
0.19
3.1
电流
基波(A)
3次(A)
5次(A)
7次(A)
11次(A)
13次(A)
THDi(%)
新增前
105.5
1.5
3.1
0.9
3.5
2.2
5.1
增加后
105.3
0.6
2.5
0.6
1.5
1.5
3.2

  
  工况2:整流机组输出电流45kA时,新增滤波支路前后电压、电流分布
  
  表2工况2下增加滤波支路前后电流、电压分布

  
电压
基波(kV)
3次(kV)
5次(kV)
7次(kV)
11次(kV)
13次(kV)
THDu(%)
新增前
11.74
0.11
0.17
0.08
0.38
0.35
4.7
增加后
11.91
0.011
0.18
0.08
0.18
0.20
2.8
电流
基波(A)
3次(A)
5次(A)
7次(A)
11次(A)
13次(A)
THDi(%)
新增前
139.4
2.15
3.15
1.59
3.99
2.9
4.6
增加后
135.4
1.8
2.4
0.6
0.9
1.2
2.5

  由表1、表2可以看出,增加滤波支路后谐波电压、谐波电流在原有滤波支路基础上得到进一步滤除,尤其对3次谐波电流起到较好的抑制左右,并且各种工矿下,系统功率因数均达到0.99,验证了如前所述的理论分析,建立了高压无源滤波器多支路设计的一种设计方法。
  
  项目实施后,不但达到了较好的治理效果,而且取得了较大的经济效益,使该铝业160KA电解供电系统的整流效率由实施前的97.37%提高到97.68%,提高了0.31%,整流机组功率因素提高了4%,按2008年计划用电量17.77亿千瓦时计算,年均节电560万千瓦时以上,年节约电费260万元以上。其谐波含量的减少,将进一步改善电网电压质量,谐波对电动机、电容量、电力线路绝缘、变压器、测量仪表、继电保护等装置的干扰将进一步降低,公司整个电力系统运行将更加安全。
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