CN1881730A - 电解系统变压器低压连接无功补偿和有源滤波装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电解系统变压器低压连接无功补偿和有源滤波装置的方法，变压器二次侧连接整流装置和电解槽，其变压器二次侧与整流装置间并联连接至少一组电容补偿装置和一组有源滤波装置，其电容补偿装置笫一组电容器一端与变压器二次侧主回路相连接，笫二组电容器一端与变压器二次侧末端主回路相连接，两组电容器另一端各自并联或串联为一体，有源滤波装置笫一组一端分别与变压器二次侧主回路相连接，笫二组一端与变压器二次侧末端主回路相连接，两组有源滤波装置另一端与电容器或电感器连接。该方法从源头补偿无功和治理谐波，动态实时补偿和就地补偿，达到节能降耗和增加产量的目的，适用电力、冶金、化工、国防单位，具有很好的社会和经济效益。

Description

电解系统变压器低压连接无功补偿和有源滤波装置的方法

技术领域

本发明涉及电力电网无功功率补偿和谐波消除，特别适用于电解系统变压器低压连接无功补偿和有源滤波装置的方法。

背景技术

电力系统为了确保供电的电能质量，一般在电解装置的高压侧即输电系统加装无功功率补偿和谐波消除装置，但由于电解装置低压侧以及低压侧的线路是无功功率和谐波产生的根源，无功功率和谐波要通过电解装置低压侧以及低压侧的线路与安装在高压侧的无功补偿装置发生能量交换，交换路径长，不能做到动态实时补偿和就地补偿，因此利用现代控制技术将电容无功补偿装置和谐波消除装置安装在电解装置的低压侧，能够达到就地补偿的目的，该技术已是成熟技术，有数十家化工企业使用了该技术，达到了降低线路损耗、提高功率因数、增加有功输出的目标，但该技术由于采用了平均值的监控方案，没有监测无功功率以及谐波电流的瞬时值，不能达到动态实时补偿的目的，提高产量和降低能耗的效果降低。目前电力系统存在无功功率较大和谐波污染问题，大量无功电流在电网和电解装置以及低压侧中的流转会导致线路损耗增大，电解装置利用率降低，用户电压跌落严重，电能质量严重下降；谐波污染则会使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。无功功率和谐波对公用电网和其他系统的危害大致由以下几个方面：

1.无功功率使电解装置传递有功功率的能力大幅度降低，电解装置能够传递的总功率为：

$S=\sqrt{P^2+Q^2}$ (其中P为有功功率，Q为无功功率)

当输电系统和电解装置总功率确定时，无功功率增加有功功率将减小。

2.谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

3.影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使电解装置局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

4.谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使谐波危害大大增加，甚至引起严重事故。

5.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

6.谐波对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

随着电力电子技术的不断发展，输电网络将无功功率补偿装置和谐波消除装置的研究方向有源滤波装置(APF)转移，即利用可控的大功率半导体器件向电网注入与原有无功和谐波电流幅值等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零并使无功功率趋于无限小，达到动态实时补偿无功和谐波电流的目的。目前该技术主要应用在输电网中，美国、日本、德国分别应用了几套有源滤波(APF)装置。中国在1999年拥有了第一套有源滤波(APF)装置，目前应用于输电网络的技术已近基本成熟。该技术利用瞬时无功功率理论和小波变换的分析方法，实时监测和动态控制了输电网络即电解装置高压侧的无功功率与谐波，但该技术由于采用了连接在电解装置高压侧的方案，仍存在没有使无功功率以及谐波电流在最短路径上流转，不能达到就地补偿的目的，对提高产量和降低能耗的效果仍受到同样有限的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构合理、降低电解装置和电解装置低压侧配电线路的无功功率和谐波，做到无功功率和谐波在最短路径上流转以及实现就地补偿和动态实时补偿，降低电解装置和低压侧线路损耗，提高电解装置传递有功功率的能力的电解系统变压器低压侧连接无功补偿和有源滤波装置方法

本发明的技术方案是这样解决的：一种电解系统单绕组变压器低压连接无功补偿和有源滤波装置的方法，在单绕组变压器的一次侧连接有工业控制机、一次侧电量采集器，二次侧连接有整流装置和电解槽、二次测电量采集器、PLC，其改进之处在于在单绕组变压器的二次侧与整流装置间并联连接有至少一组电容补偿装置和一组有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a、b、c相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x、y、z相连接，两组电容器另一端各自并联或串联为一体，由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，由六只晶闸管和六只二极管及电容器和电感器组成有源滤波装置，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路a、b、c相连接，笫二组的一端分别与变压器二次侧主回路x、y、z相连接，两组有源滤波装置的另一端与电容器或电感器连接。

一种双绕组变压器的一次侧连接有工业控制机、一次侧电量采集器，二次侧连接有整流装置和电解槽、二次测电量采集器、PLC，其改进之处在于在双绕组变压器的二次侧与整流装置间并联有至少四组电容补偿装置和有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a₁、b₁、c₁相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a₂、b₂、c₂相连接，笫三组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x₁、y₁、z₁相连接，笫四组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x₂、y₂、z₂相连接，四组电容器另一端各自并联或串联为一体，有源滤波装置包括有由六只晶闸管和六只二极管及电容器组成，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路a₁、b₁、c₁相连接，笫二组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路a₂、b₂、c₂相连接，笫三组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路x₁、y₁、z₁相连接，笫四组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路x₂、y₂、z₂相连接，四组有源滤波装置另一端各自并联为一体。

本发明与现有技术相比，结构合理、降低电解装置和电解装置低压侧配电线路的无功功率和谐波，做到无功功率和谐波在最短路径上流转以及实现就地补偿和动态实时补偿，降低电解装置和低压侧线路损耗，提高电解装置传递有功功率的能力。具体特点如下：

1.具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

2.可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。

3.受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

4、由于补偿系统为变压器的二次侧，容量有大有小，电压有高有低，所以装置使用积木式结构，即小容量成套专用装置依据变压器二次侧无功功率状态和谐波的大小再进行串并联，达到电压和电流满足变压器二次侧要求，达到无功功率和谐波在最短路经上流转以及实现就地补偿和动态实时补偿的目的。针对于变压器普遍的三相四线制结构。利用该结构可以消除零序分量的谐波电流，实现不对称控制。装置的主电路采用三相全桥逆变器结构，直流侧为电容器。

5、快速吞吐无功

该专用装置可以快速无级差地连续吸收或者释放无功功率，动作时间为几十毫秒，使得电网功率因数为1。传统的电容器组投切专用装置由于受到放电时间的限制，不能有效的补偿快速变化的无功功率，而且电容器都是分组投切，因此它的补偿精度受到级差的限制，补偿效果不好。另外电容器只能释放无功，不能吸纳无功，因此在容性负荷场合不能达到减少电流、降低线损的目的，增加有功功率15％，降低消耗7％。

6、补偿电流谐波

该专用装置可以补偿2--31次电流谐波，使得电源洁净，提高用户的电能质量。由于采用了瞬时电流检测理论，可以有效地检测并分离出需要补偿的电流谐波，这样就可以及时准确地发出指令，实现电流谐波补偿。

7、抑制电压闪变

电网电压在遇到大负荷开停或者遇到故障情况时会出现短暂的电压闪变，即电网电压会突然跌落，持续时间很短，只有几十到几百个毫秒。人眼很难观察到这个闪变对用电带来的影响，但是有些精密加工企业的精密设备却不能忍受这种电压闪变，每次电压闪变都可能导致生产出废品，甚至使得某些机器出现重新启动的现象。该专用装置动作时间为几十个毫秒，因此可以有效地抑制电网电压的闪变。

8、响应时间快

自动投切电容器组专用装置的响应时间需要几秒钟，这是受电容器放电时间所限制。国标规定电力电容器放电时间为3秒钟，如果放电时间太少，则电容器的剩余电荷不能放电干净，如再次投入可能会导致电容器发生过压击穿现象。

9、不会引起谐振短路

虽然该专用装置仍然采用并联型结构，但是它与电网之间有连接电抗器，因此不会出现并联谐振现象。

10、精准电压控制

该装置除了可以按照功率因数或者无功功率控制之外，还可以按照电压幅值来控制，确保用户获得的电压的平稳性，降低电压纹波。

本发明适用于电力行业、冶金行业、化工行业、国防等单位在变压器二次侧作为无功功率和谐波在最短路经上流转以及实现就地补偿和动态实时补偿的目的。有较好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明主回路电路连接示意图；

图2为本发明单绕组主回路电路连接图；

图3为本发明双绕组主回路电路连接图；

图4为本发明电压型桥式电路连接图；

图5为本发明电流型桥式电路连接图；

图6三相三线制有源滤波装置主回路电路连接图；

图7单相有源滤波装置主回路电路连接图；

图8三相四线制有源滤波装置主回路电路连接图；

图9为主回路A相系统仿真波形图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例

下面结合附图对本发明的发明内容作进一步说明：

参照图1所示，在单绕组变压器的一次侧连接有工业控制机、一次侧电量采集器，二次侧连接有整流装置和电解槽、二次测电量采集器、PLC。

图2所示，为本发明单绕组主回路电路连接图，在单绕组变压器的二次侧与整流装置间并联连接有至少一组电容补偿装置和一组有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a、b、c相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x、y、z相连接，两组电容器另一端各自并联或串联为一体，由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，由六只晶闸管和六只二极管及电容器和电感器组成有源滤波装置，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路a、b、c相连接，笫二组的一端分别与变压器二次侧主回路x、y、z相连接，两组有源滤波装置的另一端与电容器或电感器连接。

图3为本发明双绕组主回路电路连接图，双绕组变压器的二次侧连接有整流装置和电解槽，其特征在于在双绕组变压器的二次侧与整流装置间并联有至少四组电容补偿装置和有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a₁、b₁、c₁相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路a₂、b₂、c₂相连接，笫三组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x₁、y₁、z₁相连接，笫四组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路x₂、y₂、z₂相连接，四组电容器另一端各自并联或串联为一体，有源滤波装置包括有由六只晶闸管和六只二极管及电容器组成，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路a₁、b₁、c₁相连接，笫二组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路a₂、b₂、c₂相连接，笫三组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路x₁、y₁、z₁相连接，笫四组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路x₂、y₂、z₂相连接，四组有源滤波装置另一端各自并联为一体。

图4为本发明电压型桥式电路连接图，电压型桥式电路，串联连接电抗器X并入电网，由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，由六只晶闸管和六只二极管及电容器和电感器组成有源滤波装置，交流侧并联电容器。

图5为本发明电流型桥式电路连接图，采用电流型桥式电路，二次侧分别连接的是电容和电感，三个电容器及三对晶闸管分别与变压器二次侧主回路a、b、c相连接。

所谓电解装置低压侧有源滤波装置APF，在本专利中就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态实时无功补偿的装置。APF的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者输出满足要求的无功电流，实现动态实时无功补偿的目的。APF分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电路基本结构分别如图4和图5所示，图4为采用电压型桥式电路，图5为采用电流型桥式电路，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。对电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并人电网；对电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。

图6三相三线制有源滤波装置主回路电路连接图，由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，两晶闸管首尾连接组成一组，共三组，每组抽头与变压器二次侧绕组末端x、y、z相连接，交流侧并联电容器。

图7单相有源滤波装置主回路电路连接图，变压器二次侧单相六线制分别连接两个有源滤波装置，其中一个有源滤波装置由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，两晶闸管首尾连接组成一组，共三组，每组抽头与变压器二次侧绕组末端x、y、z相连接，交流侧并联电容器，另一个有源滤波装置与变压器二次侧主回路a、b、c绕组相连接，交流侧并联电容器。

图8三相四线制有源滤波装置主回路电路连接图，一个有源滤波装置由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，两晶闸管首尾连接组成一组，共三组，每组抽头与变压器二次侧绕组末端x、y、z相连接，零线接地，交流侧并联电容器。针对于电解装置普遍的三相四线制结构。利用该结构可以消除零序分量的谐波电流，实现不对称控制。装置的主电路采用三相全桥逆变器结构，直流侧为电容器。

图9为主回路A相系统仿真波形图。(a)曲线表示整流负载电流；(b)曲线表补偿后系统电流、电压；(c)曲线表示APF输出电流。

从图9(b)可以看出，经过补偿后电流谐波大大减小，并且电流波形和电压波形在相位上完全一致，达到了提高功率因数、补偿谐波的效果。

实施例：

图9是该容量为150KVar、运行电压10kV的电解装置低压侧有源滤波装置在型号为S7-35/10容量为5000KVA的配电电解装置低压侧运行的测试效果图。

通过输电网络的有源滤波装置和电解装置的二次无功补偿装置两项技术相结合的电解装置低压侧有源滤波装置，能从源头补偿无功和治理谐波，做到了动态实时补偿和就地补偿，达到节能降耗和增加产量的目的，具有很好的社会和经济效益。

综上所述，电解系统有源滤波装置与以往的有源滤波装置、有源无功补偿装置如自动投切电容器组装置和SVC在电解系统的连接方法上相比具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

1、首次将有源滤波装置连接在电解系统整流变压器与整流装置之间

采用无功潮流控制理论，将有源滤波装置连接在电解系统整流变压器与整流装置之间，连接在电解系统无功功率和谐波电流产生的节点上，使电解系统无功和谐波的激变幅度减小，并使原来需要通过大电流低电压短网与电网交换的无功功率和谐波电流变成与连接在无功节点上的有源滤波装置交换，大幅度缩短了无功功率和谐波流转路径。潮流控制理论一般用在用电电网中，将供电网成熟的技术应用于电解系统中通过无功潮流的综合控制，实现无功功率在电解系统的最小幅值交换和最短路径流转。

有源滤波装置一般用在输电网中，将输电网成熟的技术应用电解系统整流变压器与整流装置之间，实现无功功率和谐波电流的动态实时补偿和就地补偿，通过有源滤波装置的积木式并联连接的组合控制，实现使电解系统变压器的总谐波电流为零并使连接点的无功功率趋于无限小。

2、首次在电解系统实现了无功功率和谐波电流的动态实时补偿、就地补偿与全频次谐波补偿

本发明应用瞬时无功功率理论，采用基于小波分析的实时动态在线检测技术，可以实时在线检测电解系统无功功率节点和激变点上的无功电流、有功电流、有功功率、无功功率、频率以及谐波等50各参数，实现无功功率和谐波电流的动态实时补偿、就地补偿和全频次谐波补偿，响应时间在0.2ms以内，通过有源滤波装置的积木式并联连接的组合控制，实现使电解系统变压器的总谐波电流为零并使连接点的无功功率趋于无限小，为电解系统电气综合控制提供了新方法。过去采用电容器与电抗气在电解系统整流变压器的一次侧进行补偿，只补偿特定频次谐波，响应时间在20ms以上。传统的电解系统电能配电模式中，多以计量点的电能参数为供电、配电和用电的依据，无一例外地将电能参数调整和改善的装置安装在计量点附近。该项目采用实时在线监测技术将电解系统配电用电的每一环节和产生电能参数激变的节点为动态的监测和控制点，实现每一重要的无功节点和电网交换的无功最小，使其在大电流低电压的二次侧的流转减小，达到节能降耗的目的。

3、首次在电解系统整流变压器二次侧实现了精准电压和宽电压范围控制

电解系统整流变压器二次电解电压范围在不同电解品种、不同的电解阶段、不同的工艺条件下，电解槽的电压是不同的，通过加装的启动整流器调整直流电容器的上电压首次实现了有源滤波装置的输出电压在100-1500V范围，并实现了功率因数、无功功率和电压幅值的综合控制，确保电解槽电压平稳性，降低电压纹波。

4、首次将节能量做为节能标准，对节能进行量化考核

应用一种电子负载系统整体方案能模拟任意功率因数的线性负载和任意波形的非线性负载，将输入电能中的大部分无污染的回送电网，自身损耗小。采用包含锁相环的电压电流双闭环控制方式来控制整流变压器输出侧电流的波形及直流侧母线电压，通过电压电流双环控制系统将交流或直流电源输入能量的大部分无污染的回送到电网，实现能量回馈功能。有源滤波装置是将逆变器产生的谐波藕合到主电路中，通过与基波电压的叠加，从而使负载的波形达到预定值，可综合解决电网供电电压的波动、电压谐波、闪变、瞬间中断等问题，具有良好的快速响应能力，从而保证用户侧电压的质量。

Claims (3)

1、一种电解系统单绕组变压器低压连接补偿和有源滤波装置的方法，在单绕组变压器的一次侧连接有工业控制机、一次侧电量采集器，二次侧连接有整流装置和电解槽、二次测电量采集器、PLC，其特征在于在单绕组变压器的二次侧与整流装置间并联连接有至少一组电容补偿装置和一组有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(a、b、c)相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(x、y、z)相连接，两组电容器另一端各自并联或串联为一体，由一个晶闸管的旁路连接一个二极管为一对，由六只晶闸管和六只二极管及电容器和电感器组成有源滤波装置，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路(a、b、c)相连接，笫二组的一端分别与变压器二次侧主回路(x、y、z)相连接，两组有源滤波装置的另一端与电容器或电感器连接。

2、根据权利要求1所述的电解系统单绕组变压器低压连接补偿和有源滤波装置的方法，其特征在于所说的有源滤波装置采用电压型桥式电路，串联连接电抗器并入电网，交流侧并联电容器；采用电流型桥式电路，直流侧分别连接的是电容和电感。

3、一种电解系统双绕组变压器低压连接补偿和有源滤波装置的方法，包括双绕组变压器的二次侧连接有整流装置和电解槽，其特征在于在双绕组变压器的二次侧与整流装置间并联有至少四组电容补偿装置和有源滤波装置，其电容补偿装置的笫一组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(a₁、b₁、c₁)相连接，笫二组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(a₂、b₂、c₂)相连接，笫三组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(x₁、y₁、z₁)相连接，笫四组的电容器一端分别与变压器二次侧主回路(x₂、y₂、z₂)相连接，四组电容器另一端各自并联或串联为一体，有源滤波装置包括有由六只晶闸管和六只二极管及电容器组成，有源滤波装置的笫一组的一端分别与变压器二次侧主回路(a₁、b₁、c₁)相连接，笫二组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路(a₂、b₂、c₂)相连接，笫三组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路(x₁、y₁、z₁)相连接，笫四组的有源滤波装置一端分别与变压器二次侧主回路(x₂、y₂、z₂)相连接，四组有源滤波装置另一端各自并联为一体。

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