（电气工程专业论文）平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理.pdf

平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 摘要 近年来 由于电力电子技术的迅速发展以及它们在电力系统整 流 冶炼电力整流等各行各业上的广泛应用 谐波对电力供配设备及 其控制保护设备 对用户和通讯等领域的有害影响已经十分严重 治 理谐波污染已是电力供 配电系统迫在眉睫的任务 本课题利用实测数据 通过数学分析和必要的仿真手段 寻找出 平果铝电解晶闸管整流系统谐波产生 谐波放大 谐振等规律 对谐 波滤波器 晶闸管整流器分别进行参数重组和技术改造 达到解决谐 波放大 谐波谐振和谐波治理的目的 通过分析发现 1 平果铝电解晶闸管整流系统谐波产生的主要原因有 晶闸管 降压变压器 整流变压器本身为非线性元件 该整流系 统采用模拟触发信号来触发晶闸管 其信号误差大 造成不对称触发 晶闸管整流元件的均压 均流水平达不到要求 阳极效应引发出晶闸 管导通角不一致 2 平果铝电解晶闸管整流系统谐波放大 谐振的主要原因有 平果铝电解晶闸管整流系统的谐波滤波系统的参数配置上构成 了部分谐波放大 形成了谐振的条件 3 平果铝晶闸管整流系统谐波放大 谐振规律 三次谐波被严重放大 在参数飘移时形成谐振现象 有偶次谐波 产生 尤其是六次谐波被系统 谐波滤波器组严重放大 特征谐波基 本被谐波滤波器过滤 但非特征谐波三次 四次 六次 九次等在十 二次谐波滤波器组被严重放大 4 铝电解晶闸管整流电力谐波与电解阳极效应相互关系的分 析 铝电解发生阳极效应 如果没有在适当的时间内熄灭 其后果是 既影响电解槽的优化生产 又造成电网谐波的剧增 尤其是激发非特 征谐波的产生 在电网侧 如滤波器配置不当 将有部分非特征谐波 被放大 尤其是采用l c 滤波的电网上 容易造成某些谐波处在谐振 状态 严重影响供电质量 同时在电网改变运行方式时 其后果尤为严 重 这时候电网的操作已经处在非常不利的状态 因此 优化铝电解槽 的工艺参数 尤其是槽压 也是优化了整流供电系统的部分外部参 数 对提高整流供电质量起着重要的促进作用 最后根据数理分析及仿真结果对谐波滤波器 晶闸管整流器分别 进行参数重组和技术改造 通过多组实测数据表明 本课题已达到谐 波治理的目的 为平果铝电解晶闸管整流设备的安全 经济 稳定运 行创造了必要条件 也为同行业乃至同类设备的谐波治理提供了可借 鉴的宝贵经验 关键词 铝电解晶闸管整流谐波治理 t h eh a r m o n l cc o n t r o lo f t h et h y r i s t o r r e c t i f i c a t i o ns y s t e m f o rp i n g g u o a l u m l n u me l e c t r o l y z e r s a b s t r ac t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i ti s w i l d l yu s e d i nr e c t i f i c a t i o no fp o w e rs y s t e m m e t a l l u r g ya n do t h e ri n d u s t r i e s h a r m o n i ch a sp r o d u c e ds e r i o u sa d v e r s ee f f e c t si nt h ee q u i p m e n to fp o w e rg e n e r a t o r s a n dd i s t r i b u t i o n t h ee q u i p m e n to ft h e i rc o n t r o la n dp r o t e c t i o n u s e r sa n d c o m m u n i c a t i o nf i e l d s s ot h ep o l l u t i o no fh a r m o n i cc o n t r o lh a sa h e a d yb e e nt h e i m m i n e n tt a s ki nt h ep o w e rs u p p l ya n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m t h i st o p i cu s i n go ft h ea c t u a l l ym e a s u r e dd a t a t h r o u g hm a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n d n e c e s s a r ys i m u l a t i o nm e a n sf i n d so u tt h eh a r m o n i cg e n e r a t i o n h a r m o n i cm a g n i f i e d r e s o n a n to ft h er e c t i f i c a t i o ns y s t e mi nt h ep i n g g u oa l u m i n u me l e c t r o l y s i s r e o r g a n i z a t i o nt h ep a r a m e t e r so fh a r m o n i cf i l t e r s a n dt r a n s f o r m i n gt h et h y r i s t o r r e c t i f i e ri nt e c h n o l o g y s o l v et h ep r o b l e mo ft h eh a r m o n i cm a g n i f i e da n dt h e h a r m o n i cr e s o n a n c e t h em a i nr e a s o no ft h eh a r m o n i cg e n e r a t i o no ft h y r i s t o rr e c t i f i c a t i o ns y s t e mf o r p i n g g u oa l u m i n u me l e c t r o l y s i si s t h y r i s t o r s t e p d o w nt r a n s f o r m e r r e c t i f y i n gt r a n s f o r m e r a r e t h en o n l i n e a r c o m p o n e n t s u s i n gt h ea n a l o g i c a lt r i g g e r i n gs i g n a lw h i c hp r o d u c eb i ge r r o r c a u s et h e a s y m m e t r i ct r i g g e r t h ec o m p o n e n t so ft h et h y r i s t o rr e c t i f i e rc a l ln o tr e a c ht h el e v e l o fe q u a l i z i n gv o l t a g ea n de q u a l i z i n gc u r r e n t t h ea n o d ee f f e c tc a u s et h ea n g l eo ft h e t h y r i s t o rr e c t i f i e ri n c o n s i s t e n t l y t h em a i nr u l e so ft h eh a r m o n i cg e n e r a t i o ni nt h et h y r i s t o rr e c t i f i c a t i o ns y s t e mf o r p i n g g u oa l u m i n u me l e c t r o l y s i si s t h et h i r dh a r m o n i ch a sb e e ns e r i o u s l ya m p l i f i e d w h e nt h ep a r a m e t e rd r i f t t h e p a r a l l e lr e s o n a n c ei sc a u s e d e v e nh a r m o n i cw a sp r o d u c e di nt h es y s t e m e s p e c i a l l y n i t h es i x t hh a r m o m cw a ss e r i o u s l ya m p l i f i e db yt h eh a r m o n i cf i l t e r sa n dt h ep o w e r s y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i cw a sf i l t e r e db yt h eh a r m o n i cf i l t e rb a s i c a l l y b u t t h en o n c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c e s p e c i a l l yt h et l l i r d t h ef o u r t h t h es i x t h t h en i n t h h a r m o n i c sw a ss e v e r e l ya m p l i f i e di nt h et w e l f t hh a r m o n i cf i l t e r t h ei n t e r r e l a t i o no ft h eh a r m o n i co ft h y r i s t o rr e c t i f y i n gs y s t e mf o ra l u m i n u m e l e c t r o l y s i sa n de l e c t r o l y s i sp o s i t i v ee l e c t r o d ee f f e c ti s p o s i t i v ee l e c t r o d ee f f e c tw a so c c u r e di na l u m i n i u me l e c t r o l y s i s i fi tw a sn o tb e e n e x t i n g u i s h e da tt h ea p p r o p r i a t et i m e t h eo p t i m i z a t i o np r o d u c e so ft h ee l e c t r o b a t h w i l lb ea f f e c t e da n dt h eh a r m o n i ci n c r e a s e dr a p i d l y e s p e c i a l l yt h en o n c h a r a c t e r i s t i c h a r m o n i c i nt h es i d eo fp o w e rn e t w o r k i ft h ef i l t e ra r en o tc o n f i g u r e da p p r o p r i a t e l y ap a r to ft h en o n c h a r a c t e r i s t i cl l a t r m o n i cw i l lb ea m p l i f i e d e s p e c i a l l yu s i n gt h el c f i l t e r t h ep a r a l l e lr e s o n a n c ei sc a u s e de a s i l y l e a d i n gt ot h ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y d e c l i n e dg r a v e l y w h e nt h eo p e r a t i o nw a yo fp o w e rn e t w o r ki sc h a n g e da tt h es a m e t i m e t h ec o n s e q u e n c ei se s p e c i a l l yg r a v e a n dt h eo p e r a t i n gs t a t eo ft h ep o w e r n e t w o r ki s v e r yd i s a d v a n t a g e o u s s oo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fa l u m i n i u m e l e c t r o b a t h e s p e c i a l l yt h ev o l t a g eo fe l e c t r o b a t h e q u a l l yo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r s o fo u t s i d ep a r to fp o w e rn e t w o r k p l a ya ni m p o r t a n tf a c i l i t a t i n gr o l ei ni m p r o v i n gt h e e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y f i n a l l y a c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fh a r m o n i c f i l t e r s t h ep a r a m e t e r so fh a r m o n i cf i l t e r sh a v eb e e nr e s t r u c t u r e da n dt h et h y r i s t o r r e c t i f i e rh a v eb e e nt r a n s f o r m e di nt e c h n o l o g y t h r o u g hm a n ya c t u a l l ym e a s l l r e dd a t a p r o v e dt h a tt h ep r o j e c th a sa l r e a d ya c h i e v e dt h ep u r p o s eo ft h eh a r m o n i cc o n t r 0 1 i t p r o v i d eas a f e e c o n o m i c a la n ds t a b l eo p e r a t i o nf o rt h er e c t i f y i n ge q u i p m e n t si nt h e p i n g g u oa l u m i n i u me l e c t r o l y s i s a n da l s os u p p l yt h ev a l u a b l ee x p e r i e n c et ot h es a m e i n d u s t r ya n de v e nt h es a m ee q u i p m e n t k e yw o r d s a l u m i n i u me l e c t r o l y s i s t h y r i s t o r r e c t i f i c a t i o n n eh a r m o n i cc o n t r o i i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下完成的 研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容 除已注明部分外 论文中不包含其他人已经发表过的研究成果 也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容 对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体 均已在论文中明确说明并致谢 学位论文使用授权说明 刀年1 2 月 9 日 本人完全了解广西大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间 口即时发布口解密后发布 保密论文需注明 并在解密后遵守此规定 黼糍 p 酒 舳 广西大掌工程司n 掌位嵌 起平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 第一章前言 理想的电力供 配电系统 电能是以单一恒定的工业频率 5 0 h z 或6 0 h z 和规定的电压水平向用户供电的 对电能质量也是用频率和电压来衡量 但在 实际电力系统运行中 往往因负荷的变化 系统的频率和电压是不可能保持恒 定不变的 因此 世界各国通常采用用频率和电压的偏差值来衡量电能质量并 制定出相关规定 事实证明 仅用这两个指标来表征电能的质量是很不完善的 电流 电压波形畸变和三相交流电力系统中三相电压或电流的不平衡也是影响 电能质量的重要因素 这两个因素在过去由于还没有对电力系统产生十分严重 的影响 因此没有引起电力和用电部门的重视 近年来 由于电力电子技术的 迅速发展以及它们在电力系统整流 冶炼电力整流等各行各业上的广泛应用 谐波对电力供配设备及其控制保护设备 对用户和通讯领域的有害影响已经十 分严重 治理谐波污染已是电力供 配电系统迫在眉睫的任务1 1 1 谐波的含义和性质 国际上公认的谐波含义是 谐波是一个周期电气量的正弦波分量 其频率 为基波频率的整倍数 一由于谐波的频率是基波的整数倍数 因此也常称它为高 次谐波 谐波的特性表现在以下几个方面 1 1 2 1 谐波次数n 次必须是正整数 如我国电力系统的额定频率为5 0 h z 则其基波频率为5 0 b z 二次谐波为 i o o h z 三次谐波为1 5 0 h z 2 谐波和暂态现象的区别 谐波现象波形是保持不变的 而暂态现象 其每周的波形都发生变化 对 于不属谐波范畴的波形畸变 仅在正弦波一周期的极小部分上发生陷波 n o t c h 一般以基波峰值u 的百分数来表示 其畸变偏差百分值 用下试 计算 1 0 0 a u u 卜1 式中a u 畸变偏差值 对畸变偏差百分值茁的最大允许值要加以限制 广西大掌工程硕士掌位论文平果铝电解电力晶闸管 e 流系统谐波治理 3 短时间谐波和暂态现象中的谐波分量 对于间断性质的电流脉冲及其引起的电压畸变电要求 电流脉冲持续的时间不超过2 s 且二个电流脉冲之间的时间间隔不小于3 0 s 则这种谐波分量和暂态分量是允许的 但对在生产过程中造成的电压波动所引 起的闪变必须加以限制 为了使闪变减少到可以容许的限度 供电点处的短路 电流须保持一定水平或是装设电压波动补偿装置并附带谐波滤波器 此外实际电力系统中常存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量 这 些分量频率与基波频率之比 有些是分数 如1 2 i 3 等 则称之为次谐 波 s u b h a r m o n i c 或分数次谐波 f r a c t i o n a l h a r m o n i c 有些则介于两个整数 之间如2 5 3 6 等 则称之为间谐波 i n t e r h a r m o n i c 它们的情况与谐 波不尽相同 在本论文中不予讨论 1 2 谐波对电气设备的影响和危害 谐波的危害主要体现在以下几个方面1 2 1 1 谐波对旋转电机的影响 谐波对旋转电机 发电机和电动机 的主要影响是产生附加功率损耗和发热 其次是产生机械振动 噪声和谐波过电压 谐波对旋转电机可引起附加损耗 反映谐波附加损耗的谐波电阻民和反映基 波损耗的工频电阻冠之比大于l 一般采用以下近似比值 砖 墨 石 1 2 对于某些旋转电机实际比值可能比上式小 对于某些变压器实际比值可能 比上式大 2 对无功补偿电容器引起谐振或谐波电流的放大 电力谐波对无功补偿电容器引起谐振或谐波电流的放大 从而导致电容器 因过负荷或过电压而损坏 对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿 类似现象国内 外都有这方面的深刻教训 3 对供电网和导线增加电网的损耗 当发生谐振或放大现象时 损耗可达到相当大的程度 谐波电流在导线上 的发热比均方根电流造成的预期发热量高 原因是集肤效应和邻近效应造成的 4 对继电保护 自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作 尤其是一些衰减时间较长的暂态过程 如变压器合闸涌流中的谐波分量 由于其含量和辐值都很大 更容易引起继电保护的误动作 2 广 西 大学工程硕士掌位论文 w 果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 5 造成电能计量的误差 谐波的影响一方面是增加电度表本身的误差 另一方面是谐波源负荷从系 统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率 这样受害的用户既从系统中吸收基 波功率 又从谐波源吸收无用的谐波功率 其后果是谐波源负荷用户少付电费 而受害的用户需多付电费 6 谐波电流在高压架空线路上的流动带来的问题 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外 还将对相邻通讯线路产生 干扰影响 7 对断路器和熔断器的影响 电流波形的畸变明显地影响断路器断路容量 当存在负荷电流畸变时 在 过零点时可能造成高的d i l d t 值 比电流为正弦波时开断更为困难 而且由于开 断时间延长而延长了故障电流切除时间 因而会造成快速重合闸后的再燃弧 熔断器是由于发热而熔断的 而本质上是均方根过流电流器件 一般使用的熔 断器由几个带状熔片组成 对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感 故其 更易受到影响 1 3 国内外对谐波的监督管理及限制电网谐波要求 国际大电网会议 国际电工委员会和各国制定的限制电力系统谐波的共同 原则和要求 1 把电力系统中谐波电压控制在允许范围内 保证供电网供给波形合格的 电力 2 限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压 3 防止谐波对电网发电 供电设备的干扰 特别要防止高压电网发生谐振 或谐波放大 维护电网经济运行 4 保证供电质量 使接入电网的各种用电器具免受谐波干扰 保持正常工 作 5 有利于国际技术经济交流与合作 6 电压总谐波畸变率 低压电网 l k v 4 5 中压电网 2 4 7 2 k v 2 4 高压电网 8 4 k v 及以上 1 1 5 广西大掌工程硕士掌位论文 平果铝电解电力晶闸管蔓流系统谐波治理 1 3 1 我国对公用电网谐波电压限制的规定 3 对于不同电压等级的公用电网 允许电压谐波畸变率也不相同 电压等级 越高 谐波限制越严 对偶次谐波的限制严于奇次谐波的限制 表卜1 为公用电 网谐波电压限值 表i i 公用电网谐波电压 相电压 限值 电网标称电压 电压总谐波畸变各次谐波电压含有率 k v 率 奇次偶次 o 3 8 5 04 0z0 6 屯03 21 6 l o 3 5 0 241 2 6 6 1 1 02 01 6 o 8 1 3 2 我国对公用电网谐波电流限制的规赳3 1 公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 方均值 不应 超过下表表1 2 规定值 表1 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 基准 谐波次数及谐波电流允许值 a 电压 短路 容量 k v23456789l o1 11 21 3 m v a o 3 81 0 7 8 6 23 9 6 2 2 64 4 1 9 2 11 62 81 32 4 6 1 0 0 4 33 42 13 41 42 4 1 11 l 8 5 1 6 7 11 3 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 9 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 7 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 0 1 1 07 5 0 1 2 9 66 o9 64 06 83 o3 o2 44 3 2 o 3 7 标准 基准 谐波次数及谐波电流允许值 a 电压 短路 容量 1 4 1 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5 k v 秣k 0 3 81 01 11 29 71 88 61 67 88 97 11 46 51 2 6 1 0 0 6 16 85 31 04 7 9 04 3 4 93 9 7 43 66 8 1 0 1 0 0 3 74 13 26 02 85 4 2 6 2 92 34 52 1 4 1 3 52 5 02 22 51 93 61 73 21 51 81 4 2 7 1 32 5 6 65 0 02 32 62 o3 81 83 41 61 91 52 8i 42 6 1 1 07 5 01 71 91 52 81 32 51 21 41 12 11 o1 9 4 广西大掌工程硕士掌位论文 平果铝电解电力晶闸管蔓流系统谐波治理 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时 电流值 i n 瓮i 唾 按以下修正谐波 式中s r 公共连接点的最小短路容量 m v a 2 基准短路容量 m v a k 第h 次谐波电流允许值 a 厶 短路容量为s 石 时的第n 次谐波电流允许值 a 第n 次谐波电压含有率h r u 与第n 次谐波电流分量厶有如下关系 姗虬 3 嵩 1 3 卜4 式中u 电网标称电压 k v 1 一 第1 1 次谐波电流 a 厶一 系统的第n 次谐波电抗 q 两个谐波源的同次谐波电流在一条线路上的同一相上叠加 当相位角已知 时 总谐波电流l 可按下式计算 l l 1 2 厶2 2 2 l lj l f 2c o s o 1 5 式中l 谐波源1 的第n 次谐波电流 a 一2 谐波源2 的第1 1 次谐波电流 a 谐波源1 和2 的第r 1 次谐波电流之间的相位角 当两个谐波源的同次谐波电流在一条线路上相位不确定时 总谐波电流可按 下式计算 厶 厶 2 厶2 2 卜k 厶 厶2 1 6 式中系数e 按下表i 3 选取 n3571 11 3 9 1 3 偶次 1 6 2 1 2 8 0 7 20 1 8 0 0 80 k 两个及以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电压叠加公式与上 两式类似 同一公共连接点有多个用户时 每个用户向电网注入的谐波电流允许值按 g 西大掌工程硕士学位论文平果铝电解电力晶闸管 e 流系豌谐波治理 该用户在该点的协议容量与其公共点的供电设备容量之比进行分配 第i 个用 户的第n 次谐波电流允许值l a 可由下式计算 厶 厶 1 7 式中i 一按i s 小i i l p s 乜计算的第n 次谐波电流允许值 a s 第i 个用户的用电协议容量 m v a q 公共连接点的供电设备容量 m v a 口 相位叠加系数 具体按下表1 4 取值 表1 4 相位叠加系数取值 n 3 571 1 1 3 9 1 3 偶 次 口 1 11 21 41 81 92 1 4 畸变波形的分析 理想对称供电系统的电压和电流分别有以下表达式 2 1 u t x 2 u s i n a t a 卜8 i t j 2 us i n c o t 3 卜9 在电网中 如果电压和电流都具有非正弦波形 将电压和电流分别分解为傅 立叶级数 即 f 芝 劢s i n 刀c o t 1 1 0 f f m 历s i n 刀c o t 尾 1 1 1 o 和f 具有相同的基波频率石 皑 2 x f o l 非正弦周期电压 电流的有效值 非正弦周期电流的有效值 等于它的各次谐波电流有效值的平方之和的平 方根值 又称均方根值 矸 霹 霹 e e 1 1 2 yn l 6 广西大掌工程硕士掌位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 u 昕 明 谚 叼 啡 卜1 3 yn l 2 谐波畸变率 畸变波形偏离正弦波形的程度 常以其正弦波形畸形变率表示 各次谐波 有效值的平方和的方根值与其基波有效值的百分比 称为正弦波形畸变率t h d t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n 或简称畸变率 电压总谐波畸变率 f 一 t h d 1 0 0 珥 u 卜1 4 yn 2 工程上常要求给出n 次谐波电压或电流含有率 以便检测和采取抑制措施 第n 次谐波电压含有率等于其第n 次谐波电压的有效值u 与基波电压有效值u 的百分比 即 见 1 0 0 g g 卜1 5 电流总谐波畸变率 一 t h d 卅0 0 薹露 1 1 6 第n 次谐波电流含有率等于第n 次谐波电流的有效值l 与基波电压有效值 厶的百分比 即 d l 1 0 0 1 l 卜1 7 1 5 整流系统谐波测试显示 厂 西大学工程硕士学位论文 平果铝电解电力矗闸管整流系统谐波治理 第二章谐波与并联电容器的相互影响的分析 电网谐波对并联电容器的运行有较大的影响 谐波电流叠加在电容器材基 波电流上 使电容器的运行电流有效值增大 温升增高 甚至引起过热从而降 低电容器材使用寿命或使电容器损坏 叠加在电容器基波电压上的谐波电压 不仅使电容器运行电压的有效值增大 而且可能使峰值电压增大得多 使电容 器在运行中发生的局部放电不能熄灭 这往往是使电容器损坏的一个主要原因 据统计 由于谐波而损坏的电气设备中 电容器约占4 0 其串联电抗器约占 3 0 其它被谐波损坏的电气设备也与电容器材料有很大关系 因为电容器可 以使电网谐波电流放大 使电网中电气设备受到严重损坏 破坏电网的正常运 行 电容器对电网谐波电流的放大是一个不可忽视的问题 2 1 电容器对谐波电流的放大作用 1 忉 发生畸变的波形可以分解为基波和一系列的谐波电流分量 其谐波电流值 实际上和5 0 h z 基波电压值和供电网的阻抗几乎无关 因此 对大多数谐波源视 作为恒流源 它们与5 0 h z 基波不同 后者一般是恒压源 对于一个线性电感 在基波单独作用下的电抗值若为五 则在第n 次谐波 单独动作下的电抗值等于a x l 一个线性电容 在基波单独动作用下的电抗值若 为群 则在第n 次谐波单独作用下的电抗值等于鼍 力 由于恒流源的主要特征是外阻抗发生变化时电流值不变 设谐波源的第r 1 次谐波电流为l 进入电力系统的谐波电流为l 进入电容器的谐波电流为l 如下图2 1 所示 谐波源的外阻抗为电力系统的感性阻抗与电容器容性阻抗相 并联的阻抗 进入电力系统和进入电容器的谐波电流的分配将因谐波次数的不 同而不同 i 时 称为系统谐波电流放大 或称谐波电流放大 i 讲 l 时 称为电容器谐波电流放大 当i m l 和l l 同时发生时 称为谐波电流严重 放大 广西大掌工程硕士学位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 1 9h l 工丑 j h 图2 一l 电力系统简化电路图图2 2 电流分布示意图 图2 2 为供电系统 串接电抗器的电容器和谐波源的基波电抗 由图可以 得出谐波分流算式如下 l 些 t l 2 1 从 4 啦一二x c 1 以t 一二x c i 研 旦 i 2 2 n x c v c 一二x c 若在上两式中引入 蝎一三五 线作为变量 并以l 作为基准表示电 流 则可将上两式改写成 i m i l hi p i p ln l p 根据上面两式可得出 厶和l 厶随1 3 的变化曲线 如图2 i 所示 9 2 3 2 4 广西大掌工程硕士掌位论文 平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 图2 1l l 变化曲线 耠叱1 p o 时胖 氏槲黝蚴蝴 谐 鄂一1 1 吼舻 2 1 彘蟠鹘黝胜糯黼朋 波电流放大到最大值 当 一2 时 刀 刀口 当 一0 5 时 刀 刀6 压时 即 蜘 氐时 肾 肾 当甩 刀 嘞 同时有l l l l l 和i i l i 这种情况称为谐波电流被 严重放大 因此 应该避免有谐波源的谐波次数处于该区域 和 为谐波电 流严重放大的临界点 串联的电抗器x 工越大 刀口和 越接近 则严重放大的区 域越小 当刀 刀时 滤波支路呈容性 流入系统的谐波电流虽然比谐波电流大 但却放大不多 p o 时 门 刀o 时 在电容器支路中 串联电抗器与电容器发 生串联谐振 其中玎 为串联谐振的谐波次数 此时谐波电流完全流入电容器支 路 即电容器支路恰好处于完全滤波状态 刀 时 电容器支路仍呈容性 谐波源的谐波电流仅一部分流 入系统 流入电容器支路的谐波电流大 电容器支路仍然起滤波作用 1 0 广西大学工程硕士学位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 耠1 帅带匿时 l 小舭 刀 时 电容器支路仍然呈感性 但随着 l 增大 其分流作用逐渐减弱 疗较大时 基本不起分流作用 当用电力系统的短路容量为 来近似地估算系统的谐波阻抗时 设电容器 的额定电压为u c 和q c 系统额定电压为u 刚 并忽略电阻分量 则系统电抗 与电容器容抗之比k s 可表示为 妒毒 饕宅灶睾 协5 以k 电容器支路中电感感抗与容抗比 则 k x l l 2 6 爿c 这样就可以用为参数来计算相应的系统中的刀口 九 嘞 和甩 的值 则有 刀口2f 生 7 1 广 一r 一 1 置 2 以1 k 2 k s 铲氏 跞 轳跞 氐 o 压 压 2 7 2 8 2 9 2 1 0 电力系统中的谐波电流一般以5 7 次较大 1 l 和1 3 次之 3 次并不严重 当电容器串联了k 4 的电抗器后 谐波电流将被放大 往往在k l 6 7 时 使3 次谐波电流处于谐振状态 在正常运行时 由于三次谐波电流不大并 不会感到问题的严重性 但在电网设备操作时 3 次谐波电流可能较大 且不对 称程度也较大 此时很容易发生设备损坏的事故 这是应引起注意的 因此在3 次谐波电流较大的场合或在电网枢纽变电所中 以配备k 较大的 如k 1 2 的电抗器较合适 广西大掌工程硕士学位论文 平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 2 2 电容器组的电压和电流 电容器组通常是由电容器和电抗器串联组成的 设电容器的基波电抗为 坼 电抗器的基波电抗为五 则电容器组的总容抗为 一五 若电容器组接 入电网处的基波电压为u 电容器和电抗器上的基波电压分别为 及吼 电 容器组的基波电流为 则 五 u 鼍一五 2 9 u c i i c u n l 丑l 若流入电容器组的第n 次谐波电流为厶 则谐波电流含量巩为 d n l l l 设电容器组的电流为七则 卜婿吐再 设电容器上的n 次谐波电压为 总电压为 则 l 如 l 儿k l n d u 厣2 1 蓼屯腼 设电抗器上的r 1 次谐波电压为 总电压为巩 厶l l 以五 1 伽口 u 巩 乒事吡 腼 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 由式子 2 1 4 可知 电容器上的n 次谐波电压 与基波电压 的比值 等 吉巩 1 8 由式子 2 1 6 可知 电容器上的n 次谐波电压吒与基波电压 的比值 碗l 哦 2 1 9 1 2 广西大学工程硕士掌位论文 平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 可见 虽然通过电抗器和电容器的基波和谐波电流都相同 但在电抗器和 电容器上的基波和谐波电压是不同的 其谐波电压和基波电压的比值也不相同 前者与谐波次数成正比 后者与谐波次数成反比 二者均与谐波电流含量吃成 正比 1 3 广西大掌工覆硕士掌位论文 平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 第三章平果铝大功率电力晶闸管整流及其谐波滤波系统 3 1平果铝电网系统简介 乏 l 靠一强静如静 图3 1 平果铝电网结构图 平果铝铝电解采用额定电压d c l l 5 0 v 额定电流d c l 6 5 k a 的大功率晶闸管整 流系统供电 系统包括四台整流机组 单机组额定出力6 0 k a 每台机组由一台 降压变压器 一台整流变压器 一组晶闸管整流器和一组谐波滤波器组成 至 今 平果铝电网2 2 0 k v 母线的最小运行短路容量为2 8 8 8 m v a 最大运行短路容量 为3 1 6 8 i v a 正常情况下由四台机组并联供电 总供电电流为4 4 0 k a 1 6 0 k a 在有一 台机组检修情况下 由三台机组并联供电 总供电电流为3 5 0 k a 1 5 0 k a 3 1 1 降压变压器 降压变压器的一次和二次均为星形接法 一次侧有1 2 4 2 k v 一1 3 2 0 9 k v 共1 3 级有载调压 二次侧有4 档无载调压 谐波滤波器侧额定电压为2 2 k v 其 短路阻抗为1 3 2 9 6 具体参数如表3 1 所示 1 4 广西大掌工程硕士掌位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 表3 1 降压变压器的参数 位置额定容量 m v h 额定电压 k v 额定电流 a 一次侧 6 8 32 2 01 6 3 一1 7 9 1 8 9 8 0 62 2 2 1 1 5 7 1 81 9 62 1 1 5 二次侧 6 3 0 1 7 2 5 3 91 4 7 谐波侧 3 02 2 7 8 7 容性负荷 附 短路电压百分比为1 3 2 3 1 2 整流变压器 整流变压器是一种特种变压器 它通过一次侧的移相线圈来实现机组的变 相 它的一 二次侧的电压比为2 2 0 1 0 1 9 k y 具体参数如表3 2 所示 表3 2 整流变压器的参数 位置 额定容量 m v a 额定电压 k v 额定电流 a 一次侧 8 0 7 2 22 2 1 8 二次侧 8 0 71 0 1 94 5 7 2 4 附 短路电压百分比为7 变压器的接线方式y n d l1 2 2 5 7 5 度 3 1 3谐波滤波装置 平果铝铝电解整流系统采用的三相全控桥式整流 用傅立叶级数展开可得 它产生的特征谐波次数为6 k 1 k 1 2 n 即5 次 7 次 k 1 时 1 1 次 1 3 次 k 2 时 e e ee e e 等等 其中谐波电流较大的是5 次 7 次 1 1 次 1 3 次 与之相对应 平果铝使用滤波装置有 5 次谐波滤波装置一 7 次谐波滤波装置一 1 2 次谐波滤波装置 主要滤5 次谐波 主要滤7 次谐波 主要滤1 1 次 1 3 次谐波 单机组谐波虑波装置的总容量为3 0 m v a 5 次谐波虑波装置 5 次谐波滤波装置的总容量为1 2 0 8 m v a r 2 2 k v 5 0 h z 1 电抗器 额定电压2 2 k v 额定电流 3 8 1 h 广西大掌工程硕士掌位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 额定频率 5 0 h z 额定谐波频率2 5 03 5 0 5 5 0 6 5 08 5 09 5 0 11 5 0 1 2 5 0 额定谐波电流3 8 6 2 51 033322 额定阻抗1 6 欧姆 额定电感5 3 8 1 毫亨 抽头 减低电感的 2 4 额定短时电流延续时间4 7 9 k a s 动态短路电流 1 2 2 1 k a 2 电容器 整个电容器组共有4 8 个电容器 每个电容器的额定容量为7 6 2 4 u f 额 定电压为4 1 4 4 k v 7 次谐波滤波装置 7 次谐波滤波装置的总容量为5 9 2 m v a r 2 2 k v 5 0 h z 1 电抗器 额定电压 额定电流 额定频率 额定谐波频率 额定谐波电流 额定阻抗 额定电感 2 2 k v 1 8 7 a 5 0 h z 2 5 0 3 5 05 5 06 5 08 5 0 9 5 01 1 5 0 1 2 5 0 2 32 4 1 1 334322 1 7 2 8 欧姆 5 5 0 3 毫亨 抽头 减低电感的 2 4 额定短时电流延续时间 4 7 2 k a s 动态短路电流 1 2 0 4 k a 2 电容器 整个电容器组共有2 4 个电容器 每个电容器的额定容量为7 6 2 4u f 额定电压为4 1 4 4 k v 1 2 次谐波滤波装置 1 2 次谐波虑波装置的总容量为1 2 m v a r 2 2 k v 5 0 h z 1 电抗器 额定电压 2 2 k v 额定电流3 7 8 a 1 6 广西大掌工程硕士学位论文平并噶电解电力晶闸管整流系彰晴青波治理 额定频率 5 0 f t z 额定谐波频率 2 5 0 3 5 05 5 06 5 08 5 0 9 5 011 5 01 2 5 0 额定谐波电流 5 68 51 3 16 93 22 51 51 2 额定阻抗0 2 8 2 1 欧姆 额定电感0 8 9 8 毫亨 抽头 减低电感的 2 4 额定短时电流延续时间 9 4 7 k a s 动态短路电流 2 4 1 5 k a 2 电容器 整个电容器组共有3 6 个电容器 每个电容器的额定容量为1 0 4 5 u f 额 定电压为4 1 4 4 k y 3 1 4 晶闸管整流器 本系统采用的是三相晶闸管全控桥式整流1 4 由6 支桥臂每支1 2 只晶闸管 并联组成 采用同步触发 同步电压取自2 2 0 k v 母线p t 单机组输出6 脉波电 流 四台机组经过移相 机组移相分别为一2 2 5 一7 5 7 5 2 2 5 后总输出电流为2 4 脉波 羽 当有一台机组退出检修时 由三台机组并联运 行 总输出电流为1 8 脉波 3 2 铝电解整流系统特征谐波 平果铝电解整流系统采用三相晶闸管全控桥式整流 将其电压和电流分解 为傅立叶级数 可知它所产生的特征谐波为6 k 一 l 其中k i 2 o o oooo n 4 1 5 1 6 1 即为5 次 7 次 1 1 次 1 3 次 1 7 次 1 9 次 2 3 次 2 5 次 即单台机组 产生的是6 脉波电流 以下图3 2 是改造前在2 2 k v 侧的实测波形 1 7 广西大学工程硕士掌位论文平果铝电解电力晶闸管整流系统谐波治理 c u r r e n t 5 0 2 5 印嘻 八一广v 认哈 o 2 5 j 7 5 试确 小舾以i 2 5 5 0 t i l e 嵋 c u r r e n t j 1 l i l a r m n l cn u m b e r i i 氓c 苁f 臻 参 乞 翼 嚣f 守f 执段 袈雨j 图3 22 2 k v 处谐波实测