谐波治理装置在蓄电池企业中的应用 保定巴方电力电子有限公司

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蓄电池企业的电网谐波治理方案应用 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。

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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。

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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。

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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 。

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。

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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%。补偿后，线电流为 956．9A，功率因数为 0．994，总谐波电流畸变率 THDi为 8．54％。补偿时投入 4 次支路 19 条，投入 10 次支路 4 条。补偿后的电压、电流波形如

图 6 所示，补偿后各次谐波电流含量如图 7 所示。

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4 结束语 从仿真和实际运行结果可以看出，在投入了相应的滤波支路后，基本上能够滤除电网中

非线性负载工作过程产生的大部分谐波电流，使治理点处的谐波电流注入值及谐波电压畸变

率满足 GB／T14549—93 中的相关规定，且补偿了无功电流，降低低压配电电流值，增加供

电能力，系统的月平均功率因数达到 0．95～1，达到了治理效果。