电解铝厂大功率整流器的谐波特性及治理方法

       电解铝企业的铝产品生产主要依靠大型电力换流站，换流站一般由若干条整流器并列组成，将交流电通过AC/DC变换整流为直流电能供给铝电解槽等电解设备运行，是整个电解铝生产的核心装备。电解铝生产极具特殊性，对供电连续性有着极高的要求，因为，万一电力换流站因为系统原因停止供电，将导致电解工艺过程中断，而电解槽中大量已经处于熔融状态的铝水将迅速凝为固态，致使整个电解生产线无法工作，产生无法估量的巨大损失。因此，必须确保电解铝企业电力换流站整流器系统的持续供电。作为传统电能消费大户，电解铝厂的电力消费量惊人，通常通过装设无功补偿装置提高功率因数的方法实现节能降耗的目的。

       然而，电解铝厂作为电力系统中公认的谐波污染大户，其大量采用电力电子变流技术产生的大量谐波对电网造成严重的谐波污染，导致无功补偿装置长期无法投运，每月因功率因数不合格被供电部门罚款。同时，铝厂的谐波注入电网，将直接影响到为其供电的电厂，造成电厂自动装置误动，例如在1995年5月白莲河铝厂曾使电厂出现一次全厂停电事故，造成巨大经济损失。企业一般通过设置滤波型补偿装置来进行弥补。由于对采用大功率整流器的电力系统实际谐波状况缺乏了解和可信的数据支持，很多补偿装置往往因为参数设置不合理导致设备烧毁或不能投运，因此有必要对电解铝企业的真实谐波状况进行监测和分析，并根据其谐波特性设计合理的无功补偿与谐波治理方案。

       整流装置产生的谐波主要为 KP ± 1 次，其中 P 为整流装置脉动数目。满足上述公式特征的谐波称之为特征谐波，如5次、7次谐波主要由六脉动整流装置形成，而11次、13次谐波主要由十二脉动整流装置形成。大量工程案例表明，整流装置不仅仅是5、7、11、13次等特征谐波的发生源，在工作时还将产生大量非特征次谐波，包括子谐波和间谐波。这种特性主要由可控硅整流的过零触发工作原理和整流变压器的制造工艺（如磁芯材质、绕线一致性）等决定。同时，大功率整流器工作时，磁路稳定性较差，容易导致供电系统波形周期性偏移进而产生大量非奇次谐波。

       一般铝厂的整流装置为非相控整流装置，脉动数从6脉（小型铝厂）到84脉（大型铝厂）甚至更高。

       根据监测，铝厂存在有大量的非特性谐波和偶次谐波。由于近年来电解铝工业迅猛发展，整流装置的功率越来越大，所产生的谐波也随着整流装置的功率增加而增大。目前整流机组有两种形式。一种是二极管整流电路，有载开关粗调压和饱和电抗器细调压的方式。第二种是晶闸管整流电路，改变其导通角调整电压。晶闸管整流电路起步较晚，启动电压是用导通角深控来实现的。两种整流形式的整流器在额定负载运行时，其谐波发生量是一样的。整流装置增大了设备的无功需求，往往功率因数低，采用晶闸管整流装置的功率因数一般在 0.8 ~ 0.85 左右，采用整流管的功率因数稍高一些，一般在0.86~0.88。所以谐波治理及无功补偿应结合在一起综合来进行。

       对于应用大功率整流器的电解铝厂，湘潭中创电气有限公司技术团队在设计滤波装置时，采用PlatoPPF微链式自混合拓扑结构，并充分考虑3次、5次、6次等非特征谐波的影响，设计的滤波型补偿装置投入运行后，系统谐波得到有效抑制，补偿装置可安全稳定运行，无谐振危险。6台机组运行时功率因数达到0.95以上，N-1运行时满足功率因数0.93以上。供电系统电能质量得到进一步提升，提高了整流效率，表明了本方案在控制谐波和无功补偿方面的优越性能。