蓄電池企業的電網諧波治理方案研究

摘 要：蓄電池企業電池化成設備的大量應用，產生的高次電流諧波嚴重污染了供電電網，使供電變壓器嚴重發熱，電容器及電力電纜等設備的運行損耗增加。針對電流諧波給電網帶來的危害，結合某蓄電池企業的實際工況，采用多路單調諧濾波器對供電電網的電流諧波實施綜合治理，既消除了諧波對電網的污染，又提高了功率因數。介紹了多路單調諧濾波治理的基本原理、綜合治理措施及結果。
關鍵詞：化成設備；多路單調諧濾波器；諧波治理；無功補償

0 引言
隨著汽車工業的高速發展，也帶動了汽車蓄電池產業的高速發展，由可控硅構成的三相橋式整流裝置作為蓄電池生產過程中的化成設備被大量采用，但它們對電網而言是一種大功率電力電子非線性負載，諧波污染嚴重，對電網的危害較大。消除諧波危害已成為蓄電池企業的當務之急。

1 諧波分析
電池化成設備為典型的三相橋式整流電路，忽略換相過程和電流脈動的情況，將電流負、正半周之間的中心定為零點，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，就會有n=5和n=7，則可算出HRI5=20%，HRI7=14．3％。取k=2時，就會有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，電池化成設備在電網中產生了高次諧波，一般情況下電流諧波總畸變率THDi大于20%。在實際工作過程中，由于電池化成設備的路數相當多(一般都在1 000路左右)，當可控硅移相控制角較大時，電流諧波總畸變率THDi可達30%～60%。

2 實際工況
某蓄電池股份公司10／0．4kV配電系統簡圖如圖l所示。

圖l中，自主變饋線為10kV母線，下端接5臺變壓器，現新增6號變壓器為新充電車間供電，諧波治理點為6號變壓器低壓側。6號變壓器目前容量為l250kVA，負載有12臺充電機及空壓機等動力負載，后續新增加12臺充電機，配電變壓器更換為2 000kVA。通過對1號充電機群(共8臺，其中一臺只有50％負荷，故只算為7．5臺)各種工況的實際測量，系統正常運行時，充電機系統存在一定含量的3、5、7、11次諧波，用諧波測量儀測量結果如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出：此8臺充電機系統的工作電流變化范圍很大，最大為843A，最小為109A，且較長時間處在大電流600～800A的工況。2號充電機群安裝12臺充電機組，其最大工作電流應為l350A(843×12／7．5)。正常運行時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%。鑒于系統電流大，諧波含量很高，必須進行諧波電流的治理。但在治理過程中要防止系統發生并聯諧振，避免諧波電流被放大，否則會危害并聯電容器及設備的安全，甚至使電容器爆炸、設備損壞。

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

n次單調諧濾波器在角頻率ωn=nω1時的阻抗為：

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。
根據式(4)可知，在理想調諧狀態下

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，而很少流到系統中去，因而使該次諧波電壓大為下降。而對其他次數的諧波，Zfn》Rfn，濾波器分流很少。簡單地說，只要將濾波器的諧振次數設定為與所需要濾除的濾波次數一致，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)參數的確定
所要確定的參數有：電感L，電容C，電阻R。在理想調諧狀態下，調諧在n次諧波頻率的單調諧濾波器電容器和電抗器關系是則可以根據諧振頻率求電感：

按無功補償容量分配值，可以確定電容器參數值C為：

式中，Qcn為n次濾波器分配的無功補償容量；n為諧波次數；U1為系統額定線電壓；ω1為工作角頻率。設濾波器的品質因數為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：

如電感內部所含電阻r不夠，則需外加串聯電阻器。電感器本身的品質因數用qL表示，則外加電阻器的阻值為：

2)總體方案
從理論分析和實際工況分析可知，電網中諧波含量非常大，必須進行諧波治理，而且在諧波治理的同時還要進行無功補償。因此，總體方案以單調諧濾波器設計方案為基礎，采用在并聯電容器支路串聯一定大小的電感，使電容和電感對某次諧波電流發生串聯諧振，這樣既可以抑制該次諧波電流，同時又可以補償基波無功功率，提高系統功率因數。基于這一思想的綜合治理方案如圖5所示。

負載端設計并聯無源濾波支路，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率。為了滿足補償后功率因數達到0．92的要求，共設計3臺相同的諧波治理補償柜。根據仿真結果和實際試驗結果綜合考慮，每臺柜設計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；總進線端串聯8％的濾波電感。
3)參數確定
根據單調諧濾波器各參數計算方法，結合實際測量的相關參量，可以計算出無源濾波器各支路的相關參數，如表1所示。總進線串聯濾波電感的額定容量為160kVA；電感量為23．55μH；額定電流為2500A。

4)補償效果
根據實際測量結果和理論計算結果，建立模型來模擬實際運行工況，并進行了諧波及無功補償。補償前，線電流為l612．2A，功率因數為0．571，總諧波電流畸變率THD，為41．3190%