電解鋁企業(yè)的諧波治理及節(jié)能效果分析

鄭晶晶，羅 凡，楊 勇

（1.甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，蘭州 730050；2.甘肅省電力公司，蘭州 730050）

電解鋁企業(yè)的諧波治理及節(jié)能效果分析

鄭晶晶1，羅 凡2，楊 勇1

（1.甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，蘭州 730050；2.甘肅省電力公司，蘭州 730050）

電解鋁工業(yè)中，諧波對(duì)電力系統(tǒng)造成污染。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，介紹電能質(zhì)量測(cè)試情況及各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)限值，對(duì)測(cè)試結(jié)果及諧波治理經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

諧波治理；節(jié)能分析；電能質(zhì)量

電解鋁工業(yè)是電力系統(tǒng)中公認(rèn)的諧波污染大戶，由于大量采用電力電子變流技術(shù)而不可避免地產(chǎn)生大量諧波，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染[1]。通常鋁廠的諧波主要來(lái)源于2個(gè)方面。一是整流裝置：鋁廠電解鋁整流系統(tǒng)大多采用三相橋式并聯(lián)方式，并由若干脈動(dòng)整流機(jī)組組成，這樣將產(chǎn)生多種高次特征諧波與非特征諧波；二是變頻裝置：鋁廠內(nèi)部除線性負(fù)荷外，還包括變頻裝置等大量非線性負(fù)荷，如：鑄軋機(jī)、電動(dòng)機(jī)車等變頻調(diào)速設(shè)備[2]。

1 某鋁廠變電站情況

某鋁廠通過(guò)兩回鋁廠至330 kV先鋒變輸電線路為其500 kA整流所供電，電壓等級(jí)為220 kV,線路導(dǎo)線型號(hào)LGJ-2*500/35，長(zhǎng)度為3.855 km。

某鋁廠500 kA整流所220 kV甲母和乙母獨(dú)立運(yùn)行，分別由2個(gè)220 kV線路供電。其中，220 kV甲母帶7臺(tái)整流變壓器運(yùn)行，220 kV乙母帶2臺(tái)動(dòng)力變壓器運(yùn)行。測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，線路有功功率約為400 MW。

2 電能質(zhì)量測(cè)試情況

2.1 測(cè)試方法要求

采樣頻率不低于每個(gè)周波256點(diǎn)。基本記錄時(shí)間長(zhǎng)度取1 min。

傅里葉分析的采樣窗口取10個(gè)工頻周期，窗函數(shù)采用矩形窗。諧波、不平衡度、電壓偏差測(cè)量以3 s作為測(cè)量的基本時(shí)間長(zhǎng)度。在3 s時(shí)段內(nèi)，每隔200 ms做1次測(cè)量并記錄，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，對(duì)3 s內(nèi)所測(cè)的15組200 ms數(shù)據(jù)取均方根值作為基本時(shí)間長(zhǎng)度的幅值。電網(wǎng)基波頻率的測(cè)量，每次取1 s、3 s或10 s間隔內(nèi)計(jì)到的整數(shù)周期與整數(shù)周期累計(jì)時(shí)間之比[3]（和1 s、3 s或10 s時(shí)鐘重疊的單個(gè)周期應(yīng)丟棄）。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

在1 min測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)試時(shí)間段，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，95%概率大值選取方法，即將實(shí)測(cè)值由大到小次序排列，舍棄前面的5%概率大值，取剩余實(shí)測(cè)值中的最大值[4]。測(cè)量結(jié)果應(yīng)取測(cè)量時(shí)段內(nèi)三相中最大相的實(shí)際測(cè)量的95%概率大值。

3 各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)限值

3.1 供電電壓偏差

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325—2008要求，供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)標(biāo)稱電壓的10%。(注：如供電電壓上下偏差同號(hào)（均為正或負(fù)）時(shí)，按較大的偏差絕對(duì)值作為衡量依據(jù)。)

3.2 閃變

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326—2008規(guī)定，電力系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的較小方式下，母線長(zhǎng)時(shí)間閃變值最大值不超過(guò)0.8。

3.3 三相電壓不平衡

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15543—2008規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度限值為：電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)序電壓不平衡度不超過(guò)2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。

對(duì)于電力系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)，供電電壓負(fù)序不平衡度的測(cè)量值的10 min方均根值的95%概率大值應(yīng)不大于2%，所有測(cè)量值中的最大值不大于4%。

3.4 電力系統(tǒng)頻率偏差

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15945—2008規(guī)定，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2Hz。當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，偏差限值可以放寬到±0.5 Hz。

3.5 諧波

3.5.1 諧波電壓限值

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993中的規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見(jiàn)表1。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，取各相實(shí)測(cè)值的95%概率值中的最大的一相，作為判斷諧波是否超過(guò)允許值的依據(jù)[5]。

3.5.2 諧波電流限值

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—93《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》要求，通過(guò)計(jì)算得到PCC（電網(wǎng)公共點(diǎn)）允許該用戶注入的各次諧波電流允許值，見(jiàn)表2。

4 220 kV線路電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果分析

4.1 供電電壓偏差

給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的供電電壓偏差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與限值比較分析得出結(jié)論，見(jiàn)表3。

4.2 閃變

給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的閃變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與限值比較分析得出結(jié)論，見(jiàn)表4。

4.3 三相電壓不平衡

給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三相電壓不平衡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與限值比較分析得出結(jié)論，見(jiàn)表5。

4.4 電力系統(tǒng)頻率偏差

給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻率偏差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與限值比較分析得出結(jié)論，見(jiàn)表6。

4.5 諧波

給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)諧波電壓和諧波電流（包括總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并與限值比較分析得出結(jié)論。

由測(cè)試數(shù)據(jù)分析，220 kV線路主要以3、5、7、9、11、13次諧波電壓為主，但是都未超出合格范圍。220 kV線路3次諧波電流最大，超出合格范圍。

表2 PCC點(diǎn)允許注入諧波電流 A

表3 供電電壓偏差表%

表4 電壓閃變統(tǒng)計(jì)表

表5 三相電壓不平衡度統(tǒng)計(jì)表%

表6 電壓頻率統(tǒng)計(jì)表Hz

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用電力濾波器的濾波補(bǔ)償方案，通過(guò)充分考慮供電系統(tǒng)參數(shù)、整流機(jī)組的諧波和功率因數(shù)情況，提出消除諧波和補(bǔ)償功率因數(shù)的濾波器方案：在各整流機(jī)組母線加裝5次、7次、11次單調(diào)諧[8]。

加濾波器后，當(dāng)整流機(jī)組生產(chǎn)時(shí)，注入220 kV考核點(diǎn)的各次諧波電流都在標(biāo)準(zhǔn)及限定值以內(nèi)，各次諧波電流基本消除，電能質(zhì)量得到極大改善，同時(shí)，整流器諧波的消除，還可以大大改善鋁廠內(nèi)部供電環(huán)境，使所有的用電設(shè)備的性能得到最大限度的發(fā)揮[9—10]。

濾波器組投入后，在任何狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，均不會(huì)和系統(tǒng)產(chǎn)生電流諧振和電壓諧振，不會(huì)產(chǎn)生設(shè)備過(guò)熱、過(guò)電壓等現(xiàn)象。

通過(guò)諧波電壓電流的控制，很大程度上降低了電氣設(shè)備的附加損耗?？紤]到變壓器繞組的附加損耗率k1，鐵心的磁滯附加損耗率k2，鐵心的渦流附加損耗率k3以及電纜導(dǎo)體的附加損耗率k4等因素，假設(shè)變壓器的基波損耗為5%，則治理后的節(jié)電率k=(k1+k2+k3+k4)×5%,在這里k1+k2+k3+k4取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.769 6，則k=1.769 6×5%=8.85%。假設(shè)該鋁廠年平均負(fù)荷為400 MW，則經(jīng)過(guò)諧波治理后的年節(jié)電量：400 MW×24 h/d×365 d×8.85%=3.1億 kWh。

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[1]桂勤昌,潘永剛,田英杰.上海電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)狀分析[J].上海電力,2005(3)：235-237.

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Harmonic control and energy?saving effect of electrolytic aluminum enterprise

ZHENG Jing?jing,LUO Fan2,YANG Yong1
（1.Electric Power Research Institute,Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China;2.Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China）

In electrolytic aluminum industry,the harmonics pollutes on power systems.From reality on?site,the power quality test cases and the power quality indicators limitations are intro?duced.The test results and the economic efficiency of harmonic control are analyzed.

harmonic control;energy conservation analysis;power quality

F407.61；TK018

B

2012-09-03

鄭晶晶（1981），女，山東德州人，工程師，從事需求側(cè)管理、節(jié)能服務(wù)等方面的科研工作；羅凡（1974），女，重慶人，工程師，長(zhǎng)期從事需求側(cè)管理、節(jié)能服務(wù)等方面的管理和科研工作；楊勇（1972），男，甘肅張掖人，高級(jí)工程師，從事節(jié)能服務(wù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析等方面的科研工作。

1009-1831（2012）06-0033-03

（

孫 晶）