蓄電池企業(yè)的電網(wǎng)諧波治理方案研究

摘 要：蓄電池企業(yè)電池化成設(shè)備的大量應(yīng)用，產(chǎn)生的高次電流諧波嚴(yán)重污染了供電電網(wǎng)，使供電變壓器嚴(yán)重發(fā)熱，電容器及電力電纜等設(shè)備的運(yùn)行損耗增加。針對(duì)電流諧波給電網(wǎng)帶來的危害，結(jié)合某蓄電池企業(yè)的實(shí)際工況，采用多路單調(diào)諧濾波器對(duì)供電電網(wǎng)的電流諧波實(shí)施綜合治理，既消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，又提高了功率因數(shù)。介紹了多路單調(diào)諧濾波治理的基本原理、綜合治理措施及結(jié)果。
關(guān)鍵詞：化成設(shè)備；多路單調(diào)諧濾波器；諧波治理；無功補(bǔ)償

0 引言
隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，也帶動(dòng)了汽車蓄電池產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，由可控硅構(gòu)成的三相橋式整流裝置作為蓄電池生產(chǎn)過程中的化成設(shè)備被大量采用，但它們對(duì)電網(wǎng)而言是一種大功率電力電子非線性負(fù)載，諧波污染嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)的危害較大。消除諧波危害已成為蓄電池企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

1 諧波分析
電池化成設(shè)備為典型的三相橋式整流電路，忽略換相過程和電流脈動(dòng)的情況，將電流負(fù)、正半周之間的中心定為零點(diǎn)，則諧波電流(以a相為例)為：

式(1)中k=1，2，3，…。n次諧波電流含有率HRIn(Harmonic Ratio In)為：

式(2)中In為第n次諧波電流有效值；I1為基波電流有效值。取k=1時(shí)，就會(huì)有n=5和n=7，則可算出HRI5=20%，HRI7=14．3％。取k=2時(shí)，就會(huì)有n=11和n=13，同樣可算出HRI11=90%，HRI13=7．7％。電流諧波總畸變率THDi(TotaiHarmonic Distortion)為：

式中Ih為總諧波電流有效值。忽略13次以上諧波則可算出THDi=23．5％。
從以上分析可以看到，電池化成設(shè)備在電網(wǎng)中產(chǎn)生了高次諧波，一般情況下電流諧波總畸變率THDi大于20%。在實(shí)際工作過程中，由于電池化成設(shè)備的路數(shù)相當(dāng)多(一般都在1 000路左右)，當(dāng)可控硅移相控制角較大時(shí)，電流諧波總畸變率THDi可達(dá)30%～60%。

2 實(shí)際工況
某蓄電池股份公司10／0．4kV配電系統(tǒng)簡圖如圖l所示。

圖l中，自主變饋線為10kV母線，下端接5臺(tái)變壓器，現(xiàn)新增6號(hào)變壓器為新充電車間供電，諧波治理點(diǎn)為6號(hào)變壓器低壓側(cè)。6號(hào)變壓器目前容量為l250kVA，負(fù)載有12臺(tái)充電機(jī)及空壓機(jī)等動(dòng)力負(fù)載，后續(xù)新增加12臺(tái)充電機(jī)，配電變壓器更換為2 000kVA。通過對(duì)1號(hào)充電機(jī)群(共8臺(tái)，其中一臺(tái)只有50％負(fù)荷，故只算為7．5臺(tái))各種工況的實(shí)際測量，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，充電機(jī)系統(tǒng)存在一定含量的3、5、7、11次諧波，用諧波測量儀測量結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出：此8臺(tái)充電機(jī)系統(tǒng)的工作電流變化范圍很大，最大為843A，最小為109A，且較長時(shí)間處在大電流600～800A的工況。2號(hào)充電機(jī)群安裝12臺(tái)充電機(jī)組，其最大工作電流應(yīng)為l350A(843×12／7．5)。正常運(yùn)行時(shí)3次諧波含量最大為2．516％，5次諧波含量最大為20．81％，7次諧波含量最大為29．28%，11次諧波含量最大為15．28％；總諧波畸變率THDi較大，最大為41．3190%。鑒于系統(tǒng)電流大，諧波含量很高，必須進(jìn)行諧波電流的治理。但在治理過程中要防止系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，避免諧波電流被放大，否則會(huì)危害并聯(lián)電容器及設(shè)備的安全，甚至使電容器爆炸、設(shè)備損壞。

3 諧波治理方案及治理效果
1)單調(diào)諧濾波器
(1)工作原理
單調(diào)諧濾波器通常采用CLR結(jié)構(gòu)，電路原理圖如圖4所示。

n次單調(diào)諧濾波器在角頻率ωn=nω1時(shí)的阻抗為：

式(4)中，ω1=2πf1=100π為額定工頻角頻率；Rfn為n次諧波電阻；Zfn為n次諧波阻抗。
根據(jù)式(4)可知，在理想調(diào)諧狀態(tài)下

即濾波器的電抗為Zfn=Rfn，則諧振角頻率n次諧波電流將通過低阻值Rfn，而很少流到系統(tǒng)中去，因而使該次諧波電壓大為下降。而對(duì)其他次數(shù)的諧波，Zfn》Rfn，濾波器分流很少。簡單地說，只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為與所需要濾除的濾波次數(shù)一致，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。
(2)參數(shù)的確定
所要確定的參數(shù)有：電感L，電容C，電阻R。在理想調(diào)諧狀態(tài)下，調(diào)諧在n次諧波頻率的單調(diào)諧濾波器電容器和電抗器關(guān)系是則可以根據(jù)諧振頻率求電感：

按無功補(bǔ)償容量分配值，可以確定電容器參數(shù)值C為：

式中，Qcn為n次濾波器分配的無功補(bǔ)償容量；n為諧波次數(shù)；U1為系統(tǒng)額定線電壓；ω1為工作角頻率。設(shè)濾波器的品質(zhì)因數(shù)為q，則：

綜合考慮濾波效果和損耗，q值一般選擇為30～60。因此可求出濾波器電阻值的值：

如電感內(nèi)部所含電阻r不夠，則需外加串聯(lián)電阻器。電感器本身的品質(zhì)因數(shù)用qL表示，則外加電阻器的阻值為：

2)總體方案
從理論分析和實(shí)際工況分析可知，電網(wǎng)中諧波含量非常大，必須進(jìn)行諧波治理，而且在諧波治理的同時(shí)還要進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此，總體方案以單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，采用在并聯(lián)電容器支路串聯(lián)一定大小的電感，使電容和電感對(duì)某次諧波電流發(fā)生串聯(lián)諧振，這樣既可以抑制該次諧波電流，同時(shí)又可以補(bǔ)償基波無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。基于這一思想的綜合治理方案如圖5所示。

負(fù)載端設(shè)計(jì)并聯(lián)無源濾波支路，既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無功功率。為了滿足補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到0．92的要求，共設(shè)計(jì)3臺(tái)相同的諧波治理補(bǔ)償柜。根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，每臺(tái)柜設(shè)計(jì)10條濾波支路，8組4次濾波支路，主要濾除3次和5次諧波，兩組10次濾波支路，主要濾除7次和11次諧波；總進(jìn)線端串聯(lián)8％的濾波電感。
3)參數(shù)確定
根據(jù)單調(diào)諧濾波器各參數(shù)計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際測量的相關(guān)參量，可以計(jì)算出無源濾波器各支路的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。總進(jìn)線串聯(lián)濾波電感的額定容量為160kVA；電感量為23．55μH；額定電流為2500A。

4)補(bǔ)償效果
根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果，建立模型來模擬實(shí)際運(yùn)行工況，并進(jìn)行了諧波及無功補(bǔ)償。補(bǔ)償前，線電流為l612．2A，功率因數(shù)為0．571，總諧波電流畸變率THD，為41．3190%