当前位置:首页>技术应用>正文

电能质量治理装置在电池行业的应用

作者:南京亚派科技股份有限公司时间:2016-01-07 我要发布

 

 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

车间

设备型号

容量

数量

内化成车间

APF

APF:150A

3台

 

外化成车间

APF

APF:100A

1台

SRC-A

SRC:450kvar

APF:120A

5台

 

4  SRC和APF协同补偿原理

    SRC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。

北极星光伏商务通微信

北极星电力商务通微博

扫一扫
关注北极星商务通官方微信公众号及微博,及时获取最新资讯。

北极星电力网声明:此资讯系转载自北极星电力网合作媒体或互联网其它网站,北极星电力网 登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述。文章内容仅供参考。

供应商档案

南京亚派科技股份有限公司
企业认证: 企业已认证已认证
所在地区: 江苏
主营产品:

有源滤波、无功补偿、能量回馈、低压电气、能效管理、智能家居

收藏此企业