蓄电池企业的电网谐波治理方案研究

摘 要：蓄电池企业电池化成设备的大量应用，产生的高次电流谐波严重污染了供电电网，使供电变压器严重发热，电容器及电力电缆等设备的运行损耗增加。针对电流谐波给电网带来的危害，结合某蓄电池企业的实际工况，采用多路单调谐滤波器对供电电网的电流谐波实施综合治理，既消除了谐波对电网的污染，又提高了功率因数。介绍了多路单调谐滤波治理的基本原理、综合治理措施及结果。
关键词：化成设备；多路单调谐滤波器；谐波治理；无功补偿

0 引言
随着汽车工业的高速发展，也带动了汽车蓄电池产业的高速发展，由可控硅构成的三相桥式整流装置作为蓄电池生产过程中的化成设备被大量采用，但它们对电网而言是一种大功率电力电子非线性负载，谐波污染严重，对电网的危害较大。消除谐波危害已成为蓄电池企业的当务之急。

1 谐波分析
电池化成设备为典型的三相桥式整流电路，忽略换相过程和电流脉动的情况，将电流负、正半周之间的中心定为零点，则谐波电流(以a相为例)为：

式(1)中k=1，2，3，…。n次谐波电流含有率HRIn(Harmonic Ratio In)为：

式(2)中In为第n次谐波电流有效值；I1为基波电流有效值。取k=1时，就会有n=5和n=7，则可算出HRI5=20%，HRI7=14．3％。取k=2时，就会有n=11和n=13，同样可算出HRI11=90%，HRI13=7．7％。电流谐波总畸变率THDi(TotaiHarmonic Distortion)为：

式中Ih为总谐波电流有效值。忽略13次以上谐波则可算出THDi=23．5％。
从以上分析可以看到，电池化成设备在电网中产生了高次谐波，一般情况下电流谐波总畸变率THDi大于20%。在实际工作过程中，由于电池化成设备的路数相当多(一般都在1 000路左右)，当可控硅移相控制角较大时，电流谐波总畸变率THDi可达30%～60%。

2 实际工况
某蓄电池股份公司10／0．4kV配电系统简图如图l所示。

图l中，自主变馈线为10kV母线，下端接5台变压器，现新增6号变压器为新充电车间供电，谐波治理点为6号变压器低压侧。6号变压器目前容量为l250kVA，负载有12台充电机及空压机等动力负载，后续新增加12台充电机，配电变压器更换为2 000kVA。通过对1号充电机群(共8台，其中一台只有50％负荷，故只算为7．5台)各种工况的实际测量，系统正常运行时，充电机系统存在一定含量的3、5、7、11次谐波，用谐波测量仪测量结果如图2和图3所示。

从图2和图3中可以看出：此8台充电机系统的工作电流变化范围很大，最大为843A，最小为109A，且较长时间处在大电流600～800A的工况。2号充电机群安装12台充电机组，其最大工作电流应为l350A(843×12／7．5)。正常运行时3次谐波含量最大为2．516％，5次谐波含量最大为20．81％，7次谐波含量最大为29．28%，11次谐波含量最大为15．28％；总谐波畸变率THDi较大，最大为41．3190%。鉴于系统电流大，谐波含量很高，必须进行谐波电流的治理。但在治理过程中要防止系统发生并联谐振，避免谐波电流被放大，否则会危害并联电容器及设备的安全，甚至使电容器爆炸、设备损坏。

3 谐波治理方案及治理效果
1)单调谐滤波器
(1)工作原理
单调谐滤波器通常采用CLR结构，电路原理图如图4所示。

n次单调谐滤波器在角频率ωn=nω1时的阻抗为：

式(4)中，ω1=2πf1=100π为额定工频角频率；Rfn为n次谐波电阻；Zfn为n次谐波阻抗。
根据式(4)可知，在理想调谐状态下

即滤波器的电抗为Zfn=Rfn，则谐振角频率n次谐波电流将通过低阻值Rfn，而很少流到系统中去，因而使该次谐波电压大为下降。而对其他次数的谐波，Zfn》Rfn，滤波器分流很少。简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为与所需要滤除的滤波次数一致，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。
(2)参数的确定
所要确定的参数有：电感L，电容C，电阻R。在理想调谐状态下，调谐在n次谐波频率的单调谐滤波器电容器和电抗器关系是则可以根据谐振频率求电感：

按无功补偿容量分配值，可以确定电容器参数值C为：

式中，Qcn为n次滤波器分配的无功补偿容量；n为谐波次数；U1为系统额定线电压；ω1为工作角频率。设滤波器的品质因数为q，则：

综合考虑滤波效果和损耗，q值一般选择为30～60。因此可求出滤波器电阻值的值：

如电感内部所含电阻r不够，则需外加串联电阻器。电感器本身的品质因数用qL表示，则外加电阻器的阻值为：

2)总体方案
从理论分析和实际工况分析可知，电网中谐波含量非常大，必须进行谐波治理，而且在谐波治理的同时还要进行无功补偿。因此，总体方案以单调谐滤波器设计方案为基础，采用在并联电容器支路串联一定大小的电感，使电容和电感对某次谐波电流发生串联谐振，这样既可以抑制该次谐波电流，同时又可以补偿基波无功功率，提高系统功率因数。基于这一思想的综合治理方案如图5所示。

负载端设计并联无源滤波支路，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率。为了满足补偿后功率因数达到0．92的要求，共设计3台相同的谐波治理补偿柜。根据仿真结果和实际试验结果综合考虑，每台柜设计10条滤波支路，8组4次滤波支路，主要滤除3次和5次谐波，两组10次滤波支路，主要滤除7次和11次谐波；总进线端串联8％的滤波电感。
3)参数确定
根据单调谐滤波器各参数计算方法，结合实际测量的相关参量，可以计算出无源滤波器各支路的相关参数，如表1所示。总进线串联滤波电感的额定容量为160kVA；电感量为23．55μH；额定电流为2500A。

4)补偿效果
根据实际测量结果和理论计算结果，建立模型来模拟实际运行工况，并进行了谐波及无功补偿。补偿前，线电流为l612．2A，功率因数为0．571，总谐波电流畸变率THD，为41．3190%