船电技术｛控制技术 电解铝整流装置的电气分析和谐波仿真 许晖 陶先华 尹章俊 高水华 （中国船舶重工集团公司７１２研究所，武汉４３００６４） 摘要：本文简单介绍了电解铝整流装置的电气原理和谐波分析，并对其进行仿真，二者对照分析，说明了 ． 同相逆并联谐波 文献标示码：Ａ 文章编号：１００３—４８６２（２０１０）０２—００３８—０４ 分析的正确性 关键词：变压器中图分类号：ＴＭ４２２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｏｆ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｘｕ Ｈｕｉ，Ｘｉａ Ｘｉａｎｈｕａ， Ｙｉｎ Ｚｈａｎｇｊｕｎ， Ｇａｏ Ｓｈｕｉｈｕａ （Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ＣＳＩＣ， Ｗｕｈａｎ ４３００６４， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：／ｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅ￣ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，｝ｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｃｏ－ｐｈａｓｅ ｃＤ ｆ ｒ ｐ以ｒ口ＺＺ已ｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ １ 引言 整流装置是电网的主要非正弦受电设备。这 种非正弦电流波形，根据系统参数、整流装置相 由于整流机组电流比较大，正确地确定主接 线系统和合理地选择电气设备是工程设计的前 提，本系统采用的是６台整流机组同相逆并联接 数、接线和运行条件的不同发生很大的畸变。确 定整流装置交流侧谐波时必须首先确定其非正弦 电流波形和系统的接线方式，本文在导出其关系 时假定…： 线方式。单台机组为等效１２脉波整流，６台等效 ７２脉波整流。６套机组并联，单台机组的调压整 流变容量为１２２０００ ｋＶＡＬ２Ｊ，主接线图如图１所示。 （１）电网电压是理想正弦交流电源，不存在 电压和频率偏移。 （２）所有变压器的换相阻抗可忽略不计，忽 略变压器的不平衡。 （３）整流电路均为三相二极管不控整流方 式，二极管等电力电子器件为理想器件，没有开 关时间和换相过程等。 （４）直流侧电抗无穷大，直流电流稳定后基 本为平滑直线。 ２电气系统图 ４ 收稿日期：２００９．０７ ０２ 作者简介：许晖（１９７６．），男，工程师，研究方向： 机电一体化。 ３８ 图１主接线图 整流机组由三部分组成：１）调压变压器部分， 船电技术ｆ控制技术 一次侧电压２２０ｋＶ，二次侧电压６２２８７ Ｖ。２）整 压器位于１０２档，根据阻抗值表此时阻抗值如上 表相应的１０２档的阻抗。 流变压器部分，二次侧输出电压１１００ Ｖ。３）整 流器部分。 根据补偿侧（Ａ３）电压为２２ ｋＶ和变压器图 表知当Ａ３处于３６档时电压约为２２ ｋＶ，相应的 容量为４３９００ ｋＶＡ，此时的阻抗值如上表中３６档 位所示。 ３电气原理分析 ３．１调压变压器部分 ， 调压变压器其本身是一个双绕组变压器（结 构图如图２所示），通过抽头后等效一个三绕组变 压器，通过采用延边三角形的联接方式达到调压 同理，当整流变压器的一次相电压为６２２８７ Ｖ时根据整流变压器图表可知，其二次侧（ａｌ端） 相电压为１１００ Ｖ，位于１０２档，阻抗值如上表相 移相目的。设变压器的一次和二次绕组分别为 Ｎ１、Ｎ２，则变比ｎ＝Ｎ１／Ｎ２，设二次侧的基本绕组 （Ａ３Ａ２）为（１一 ）Ｎ２，移相绕组（ＡｍＡ３）为ｋＮ２， 其中ｋ为绕组系数（０＜ｋ＜１）。 图２调压变压器结构图 从图２可知调压变压器原边采用星形联接方 式，副边采用延边三角形联接方式。调压变压器 的Ａ２Ｂ２Ｃ２绕组输出降压，且通过三角形接法比 原边ＡＢＣ相位超前１５０。，即Ａ２Ｂ２相位超前ＡＢ 相位１５０。。同理，Ａ３Ｂ３相位超前ＡＢ相位３Ｏ。。 通过延边，ＡｍＢｍ的相位超前ＡＢ相位０，通过 分析可以计算出 Ｕ＾ｍＢｍ＝ＵＡｍＡ３一 口ｍＢ２ ＝÷：ｋ Ｕ’ ＾ 一Ｕ‘ ｅ 詈一 ÷＾口 ｅ ； ６ ３孚 √３，ｚ √３ｎ ＝去 ｅ一 ） 詈 其中ｋ：—ｓｉｎ（３０￣－Ｏ） —ｓｉｎ（３０￣＋ 故移相角０不同则ｋ值也不同，ＡｍＢｍ的相 位超前ＡＢ相位０与绕组系数ｋ有关。 调压变压器额定状态如下： 一次（网）侧电压：Ｕ１＝２２０ ｋＶ，额定容量： Ｓ＝１２４．４ ＭＶＡ，因此，一次侧电流Ｉ１＝ （１．７３２￣Ｕ１） ＝１２４．４／（１．７３２ｘ２２０）＝３２６．４ Ａ，根据变压器图表 知，二次侧相电压（Ａｍ端）Ｕ２相＝６２２８７ Ｖ。变 应值。一次侧输入电流为２ｘ３２６．４ Ａ，阀侧线电流 为４ｘ１６３２０Ａ。 调压变压器阻抗计算如下： 取基准容量Ｓｄ＝ｌＯＯ ＭＶＡ，基准电压 Ｕｄ＝Ｕｃ＝２２ ｋＶ，则 、 基准电流为 ＝Ｓｄ／（１．７３２ｘｕｄ） 基准电抗为 Ｘｄ＝Ｕｄ／（１．７３２Ｘｌｄ）＝Ｕ Ｕｃ｝Ｓｄ ：２２０００ｘ２２０００／１００ｘ １０６＝４．８４ Ｑ。 电力系统的阻抗标么值 ｙ 一Ｘ Ｕ ‘，Ｕ ‘Ｓｄ 一一Ｘｄ Ｓ Ｓｄ Ｓ ＝１００／９２９９．６＝１／９２．９９６ Ｘｓ＝１／９２．９９６ｘ４．８４＝０．ｏ５２（ｎ）（其中 ９２９９．６ ＭＶＡ为系统最大短路容量）； 电力系统的阻抗标么值 ｙ 一Ｘ Ｕ ‘，Ｕ 一一 Ｘｄ Ｓ Ｓｄ Ｓ ＝１００／（９２９９．６ｘ２／３） ＝１／（９２．９９６ｘ２／３）， Ｘｓ＝１／（９２９９．６×２／３）×４８４＝０．０５２ｘ３／２＝０．０７８（０） （其中９２９９．６ｘ２／３ ＭＶＡ为系统最小短路容量）； 调压变压器阻抗标么值 ｙ 一ＸｆＵ ％Ｕ ，Ｕ ‘Ｕ ％Ｓｄ —一Ｘｄ １００ ＳＮ Ｓｄ １００ ＳＮ 根据分析知ＳＮ＝４３９００ Ｍ，Ｕｋ％＝７．３４，故墨＝ （７．３４％／１００） × （１ＯＯｘ１０。／４３９００ｘ１０ ） ｘ４８４＝０．８０９（０）。 故电力系统至滤波器端总阻抗为０．８６１ Ｑ（最 大短路容量时）；电力系统至滤波器端总阻抗为 ０．８８７ Ｑ（最小短路容量时） ３．２整流变压器部分 ２２０ ｋＶ整流供电系统共配用六组主变压器， 为了达到增加整流器相数以消除整流器产生的谐 ３９ 船电技术ｌ控制技术 波的目的，每台机组等效１２脉冲，六台机组构成 ３．３整流装置部分 等效７２脉冲 ］。为此，整流机组每组主变压器均 有不同的移相角度。主变压器的移相角度是通过 变压器绕组的曲折接线来实现的，不同的移相角 度，需采用不同的接线方式，对应于机组不同的 运行方式。对于按六台机组方式设计的主变压器 整流装置的整流方式采用二极管整流，每个 绕组为一个桥，两个桥的三相交流电压互差 １８０。，因此当一桥的导电顺序为ａｌｂｌ、ａｌｃｌ、ｂｌｃ１、 ｂｌａｌ、ｃｌａｌ、ｃｌｂｌ时，另一桥的导电顺序则为ｂ２ａ２、 ｃ２ａ２ ｃ２ｂ２、ａ２ｂ２、ａ２ｃ２ ｂ２ｃ２ 结构，当六台机组同时运行时它们构成等效的７２ 脉冲，此时，整流机组的总体谐波水平最佳，所 产生电压、电流谐波量最小。但是，若在生产过 程中有某一台主变压器组因故退出或计划停运， 则整个整流机组将处于非对称运行状态，相应地 在整流桥网侧和阀侧的谐波含量会增大。 根据上述分析及用户提供的资料，可知，正 常运行状态下，整流负荷共有两种运行工况： １）六组整流机组对称运行、且每组出力相 同，简称６机组运行方式； ２）五组整流机组不对称运行、但每组出力 相同，简称５机组运行方式； 用户要求整流机组功率因数在正常运行方式 下应限制在下面的范围内： ０．９５＜ｃｏｓ０＜ｌ。０ 左 １右 ｆ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ 一５ ５ ５ ５ 为此需在调压变压器的补偿绕组侧２２ ｋＶ母 线上装设一定的功率因数补偿电容器，以确保整 流机组在上述两种运行工况下，均有足够高的功 率因数。 图３整流变压器结构图 表１ 变压器 移相角 同名端 ａ２ ０．２９ａｌ ｂ１ ０．９２ａｌ ０．７７ａｌ ｂ２ ０．４１ａ１ ０．４８ａｌ 针对整流装置运行的特点，在进行整流机组 无功功率补偿容量的选择和滤波器的配置时，应 Ａ５和Ａ６ ０．１６ａ１ ０．０５ａｌ ０．６４ａｌ ０．０５ａｌ ０．１４ａｌ ０．５５ａｌ Ｏ．６１ａｌ ０．６６ａｌ ０．７１ａｌ 兼顾上述两种不同的运行方式。 整流变压器实际上是由左、右两台变压器组 成，原边为曲折联结方式，副边为同相逆并联三 角联接方式。（结构图如图３所示）。 以Ａ相为例说明。由于左右变压器的原边都 是接自调压变压器的副边（ＡｍＡ２）且并联在一 起，故其电压大小和相位相等，相位和调压变压 器的Ａ相一致。接入后，由于原边的联接方式或 ０．５２ａｌ ０．４１ａｌ ０．２３ａｌ ０．３２ａｌ ４谐波分析 ４．１电气结构模型的建立 电力用户的供电网络由电源系统、输电线路、 用户变压器、负荷变压器等构成。在理想情况下， 假定电源为三相对称，输电线路经换相后也认为 是三相平衡的，用户变压器以及负荷变压器通常 也认为三相基本平衡，这对于一般电力负荷的工 频特性的分析是可以的。但是，若要分析大功率 整流负荷的谐波特性，完全基于理想情况的分析， 已不能符合实际的运行工况。这是因为，实际的 电力网络并不是理想的三相对称，从电源、输电 绕组数不同，ＡｍＡ２相对于Ａ的相位发生变化， 以右边变压器的相位发生的变化为基准。 设右边变压器Ａ相的Ａ５Ｘ５绕组数为ａｌ， Ａ６Ｘ６绕组数为ａ２；另外两相绕组数和Ａ相的相 等。设左侧变压器Ａ相的Ａ５Ｘ５绕组数为ｂ１， Ａ６Ｘ６绕组数为ｂ２；另外两相绕组数和Ａ相的相 等。为了满足要求，根据分析，满足此关系的左 右变压器的绕组必须满足表ｌ关系ｌ４Ｊ。 船电技术ｌ控制技术 线路，到用户侧的变压器、用户负载等都存在不 同程度的不平衡。 （２）调压变压器副边侧产生的电流波形见图 ＦＦＴ ｗｉｎｄｏｗ：２ ｏｆ３ ｃｙｃｌｅｓ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａ 为了尽量使谐波的计算和分析符合实际整流 器的特性，并为滤波器的设计提供准确的谐波电 流数据，计算中考虑了三种不对称工况： （１）电源的不对称，取１％； （２）‘变压器漏抗的不平衡，取５％～１０％。 其中，调压变压器的三相阻抗差取５％，两台主 变压器间的阻抗差值取１０％，每台主变三相问的 阻抗差取５％； （３）变压器的变比误差，调压变压器三相 问的变比差取１ ，两台主变问的变比差取２％， 主变三相间的变比差取１ ； 根据系统的主接线图，采用ｍａｔｌａｂ仿真，在 此模型中，由于其采用的变压器模型比较特殊， 只能采用子系统与模块封装，封装的模块为调压 变压器、整流变压器（分左右两个）。 ４．２仿真分析 仿真分析的参数根据实际参数需求输入相应 的模块参数中，对其进行图形分析可知： （１）在其单台整流变压器副边侧产生的电流 波形如图４所示。 ＦＦＴ ｗｉｎｄｏｗ：２ ｏｆ３ ｃｙｃｌｅｓ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ Ｔｉｍｅ（；） Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０Ｈｚ）＝１６４４．ＴＨＤ＝Ｉ １ ０６％ 从图４中可以看出，其产生大量的５、７、１１、 ｌ３、１７、１９、２３、２５等次特征谐波，电流畸变率 达到１１．０６％，由于单台整流变压器等效６脉波整 流，和理论分析基本一致。不可忽略的是由于单 台整流变压器的接线方式只是曲折绕组的一部 分，其中也产生了微量的非整数次谐波。 Ｔｉｍｅ（ｓ） Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０Ｈｚ）＝１１３３．ＴＨＤ＝６ ００％ － Ｉ ｌＩＩＩＪｌＩｌＩｌ ．．．． １Ｉ．．．ｍ ．．．．．……．．．．．． 参考文献： ［１】 刘忏斌等．硅整流所电力设计．【ｓ．１．】：冶金工业出版 社，１９８３． 【２】 朱振坤．贵阳铝镁设计院工程技术文件（一），２００８年． ［３】 邓少强．贵阳铝镁设计院工程技术文件（二），２００８年． 【４］ 固先华，张丽芳．同相逆并联整流变压器分析．船 电技术，２００８（６）． 【５】 薛定宇，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿 真技术与应用．北京：清华大学出版社，２００２． ４】