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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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(cè)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(cè)量?jī)x測(cè)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,，zui大為843A，zui小為109A,，且較長(zhǎng)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zui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zui大為2.516%,，5次諧波含量zui大為20.81%,，7次諧波含量zui大為29.28%，11次諧波含量zui大為15.28%;總諧波畸變率THDi較大,，zui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(guò)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?！ ?/p>
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(guò)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(jiǎn)單地說(shuō)，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)*,，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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)源濾波支路,，既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)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(cè)量的相關(guān)參量，可以計(jì)算出無(wú)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(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果,，建立模型來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)行工況，并進(jìn)行了諧波及無(wú)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%,。補(bǔ)償后，線電流為956.9A,，功率因數(shù)為0.994,，總諧波電流畸變率THDi為8.54%。補(bǔ)償時(shí)投入4次支路19條,，投入10次支路4條,。補(bǔ)償后的電壓、電流波形如圖6所示,，補(bǔ)償后各次諧波電流含量如圖7所示,。
