1  引言

铅酸蓄电池由于成熟的技术、可靠的安全性及较高的再利用率，奠定了其在我国电池市场的老大地位，广泛应用在通信领域、汽车启动、电动车辆及新能源储能等领域。根据中国电器工业协会铅酸蓄电池分会的预测，2015年国内蓄电池市场容量将达到1500-1600亿元，而中国化学与物理电源行业协会编制的《中国化学与物理电源（电池）行业“十二五”发展规划》预计，我国“十二五”期间铅酸蓄电池将保持15%的增长速度，2015年销售收入有望达到1700多亿元的规模。这些数据说明，铅酸电池仍然是我国和世界电池市场的主流，而且保持着良好的发展势头。

在铅酸蓄电池的生产过程中，极板化成环节大量采用三相可控硅整流电路的充电机，在工作过程中产生大量的无功和谐波，对电网危害较大，蓄电池企业治理无功和谐波的需求已迫在眉睫。

某电池生产厂主要从事密封式铅酸蓄电池的研发和生产。公司配电系统总图如图 1所示。公司配电房总容量4000kVA，共1#变压器和2#变压器两台变压器，容量均为2000kVA，短路阻抗为6.098%， 1#变压器下有内化成充电机、外化成充电机和其他车间用电负载，2#变压器下有外化成充电机和其他生产车间用电负载。

图 1 某电池生产厂配电系统总图

2  充电机电能质量分析

此电池厂家外化成车间充电机型号为某充电机厂家额定电压380V(AC)、额定电流250A(DC) 三相可控硅整流电路充电机，其无功和谐波的特点为：

-充电机的谐波脉动数为p=6,主要的谐波次数为6k±1;k= 1,2,3,...,即5, 7,11,13,17,19等；

-各次谐波有效值与谐波次数成反比,谐波次数越高,谐波幅值越小；

-在充放电过程中,充电机的功率因数在0.5左右，电流畸变率在40%以上。

    单台充电机额定容量工作时，交流电流波形如图 2所示。电流波形畸变严重，充电机的功率因数和谐波含量分别如图 3和图 4所示，正常工作时功率因数在0.5左右，电流畸变率THDi达到44.1%。

图 2 单台充电机交流电流波形

图 3 单台充电机功率因数

图 4 单台充电机谐波电流含量

外化成车间1台进线柜接入4台充电机，进线柜内采用额定容量400A的断路器，接线方式如图 5所示。

四台充电机全部开启，额定容量运行时，总电流大小：

总无功功率大小：

总谐波大小约为：

由此可见，当四台充电机同时工作时，谐波和无功过大导致总电流超过断路器容量，因此，无法同时开启4台充电机，导致设备利用率过低，影响企业生产效率。

图 5 外化成车间充电机接线方式图

另外，谐波和无功带来的问题还有：1）导致线缆和变压器温升异常，大量的无功和谐波电流在电缆中，造成了额外的功率损耗，加剧了变压器和线缆的发热；2）谐波会与传统的无功补偿电容器产生谐振，导致谐波电流放大，严重时引起电容器鼓包损坏，甚至爆炸；3）谐波带来高频干扰，会引起继电保护的误动作和精密仪器的正常工作。

3  治理方案

由于配电系统中充电机负载相对集中，并且单台容量较大，因此采用就地补偿方案：在本地负载端对谐波和无功电流进行治理，避免对上一级或更高级配电系统造成影响。经过综合考虑，采用亚派科技有源电力滤波器APF和混合动态消谐补偿装置SVG-S-A进行就地补偿。

亚派科技SVG-S-A主要由SVG、APF和SRC(串联电抗式无功补偿电容)组成，将SRC的低成本、SVG的灵活性及APF滤波的强效性结合起来，三者由中央控制器进行统一调配、有效控制，并且可灵活选择各模块的容量配置，实现动态无级无功补偿，同时滤除系统的谐波电流，实现提高用电效率、节能及改善电能质量的目标。

根据不同的应用场合，SVG-S-A可包含不同模块，可分为SVG-S(SVG+SRC)、SRC-A(SRC+APF)、SVG-A(SVG+APF)、SVG-S-A(SVG+SRC+APF)四种结构形式，此例中考虑到外化成车间无功和谐波较大，从成本角度考虑选用SRC-A结构形式，SRC配置容量可完全补偿负载无功电流，由于系统谐波含量大，谐波电流超标会导致电容器损坏，因此配置一定容量APF进行谐波滤除，使SRC支路谐波电流在合理范围内，保障SRC安全运行，达到最好的经济效益，SRC-A装置构成如图 6所示。外化成车间单台SRC-A容量配置为：APF：120A（2台60A模块），SRC:450kvar(共补，9路，单路容量50Kvar)。

图 6 SRC-A 装置构成图

图 7 APF和SRC-A安装位置示意图

    某电池生产厂内/外化成车间安装APF和SRC-A位置如图 7所示，内化成车间采用APF进行就地补偿，外化成车间采用SRC-A和APF结合进行补偿，SRC-A中包含了APF模块和SRC模块，其中无功电流由SRC进行完全补偿，提高系统功率因数，APF滤除一部分谐波，使电容器谐波在安全范围内，其数量及型号如下表所示。

表 1 某电池生产厂安装的APF及SVG-S-A型号

4  SRC和APF协同补偿原理

    SRC作为串联电抗式无功补偿电容器，在重谐波环境中工作，容易出现SRC支路谐波电流超标，与基波电流叠加后，总电流超过电抗额定电流，长期工作将导致电抗温升过高，甚至烧毁，并且导致电容容量衰减，甚至击穿。因此，在重谐波环境下，必须先由APF进行滤波，降低系统电压的THDu和系统电流的THDi，再由SRC来进行无功补偿，使SRC支路谐波电流在允许范围内，保证SRC工作的稳定性和寿命。SRC-A作为APF和SRC的有机组合，由中央控制器统一控制，如何实现APF和SRC的协同工作，做到先由APF滤除部分谐波，再由SRC补偿无功功率，成为相当重要的课题。

    APF和SRC的协调控制策略如图 8所示。为保证谐波先由APF进行滤除，需要采样真实的负载电流iL，从中提取出谐波成分，然后由APF发出一定容量的谐波电流进行抵消，降低系统电压的THDu，再根据SRC上一级电流iS中的无功分量，进行SRC支路的投切，进行无功的补偿，并吸收适当谐波，达到无功和谐波的解耦控制，实现最优的无功和谐波补偿效果，同时保证补偿装置工作的稳定性。

图 8 SRC和APF协调控制策略

    外化成车间SRC-A中SRC支路单路容量50kvar，所用电容为50kvar/480V无功补偿电容器，串联电抗电抗率为7%，电容器额定电流为

    在380V系统，串联电抗率7%的情况下，单路基波无功电流为

    因此单路SRC可允许的谐波电流为

    由于APF配置容量仅有120A，充电机全开，满载运行输出谐波电流120A，剩余谐波电流

根据此时无功电流值，投入SRC支路为7~8路，每路的谐波电流为

    因此，在极端情况下，四台充电机满载运行，单路SRC谐波电流值在24~28A，在SRC额定工作范围内，可保证SRC支路正常运行。

5  治理效果

外化成车间，补偿前电网电压THD如图 9所示。可以看出，电网电压THD达到9.8%左右，畸变严重。

图 9 补偿前电网电压THD

    采用SRC-A进行补偿时，如果APF不启动，单由SRC进行补偿时，单路SRC的基波电流和5次谐波电流分别如图 10和图 11所示。其中5次谐波达到35.6A，超过SRC可允许的谐波电流范围，如果长期工作会导致SRC支路的电容、电抗损坏。

图 10 APF不工作时单路SRC基波电流

图 11 APF不工作时单路SRC 5次谐波电流

当SRC-A中APF开启并正常工作时，APF模块1和模块2输出的5次谐波电流分别如图 12和图 13所示。总电流在120A左右，达到满载输出，此时单个SRC支路电流波形如图 14所示，其电流频谱如图 15所示，其中5次谐波含量最大，为25.3A，在正常工作允许范围内，可以安全稳定运行。

图 12 APF模块1输出5次谐波电流

图 13 APF模块2输出5次谐波电流

图 14 单个SRC支路电流波形

图 15 单个SRC支路电流频谱

现场运行证明，采用SRC-A进行补偿，由APF滤除部分谐波，降低系统谐波含量，再由SRC进行无功补偿，保障电容器的安全运行，达到了APF和SRC协同补偿的目的。外化成车间安装SRC-A后，四台充电机可同时开启工作，提高了设备利用率和生产效率，取得了较好的经济和技术效益。

6  结论

铅酸蓄电池在生产过程中，极板化成工艺大量采用三相可控硅整流的充电机，充电机工作时产生大量的无功和谐波，导致某厂家同一断路器下的四台充电机不能同时开启，设备利用率低。文中提出采用混合动态消谐补偿装置和有源滤波器，进行就地补偿，通过APF和SRC的协调控制，先由APF滤除谐波，再由SRC补偿无功，保证了SRC安全稳定运行，补偿后四台充电机可同时开启，提高了工厂的设备利用率和生产效率，实现了很好的经济和技术效益。 

参考文献

[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998

[2] 徐永海，肖湘宁，杨以涵等.低成本混合滤波方案及特性分析[J].中国电机工程学报，1999,19(12):5-8.

[3] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4] 张崇巍，张兴.PWM整理器及其控制.北京：机械工业出版社，2003.

[5] 马大铭，朱东起，姜新建.新型综合电力滤波系统的研究.清华大学学报，1997,37(1)：48-52.

作者简介

仇志凌  男，1978年生，博士，研究方向为有源电能质量控制； 

刘定坤  男，1986年生，硕士，研究方向为电能质量控制技术。