电能质量治理装置在电池行业的应用

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。下面来说说电能质量治理装置在电池行业的应用。

1 引言

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。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，采用有源电力滤波器ZBAPF和混合动态消谐补偿装置ZBSVG进行就地补偿。

SVG主要由ZBSVG模块、ZBAPF和ZBTSC(串联电抗式无功补偿电容)组成，将ZBTSC的低成本、ZBSVG的灵活性及ZBAPF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。

图6ZBTSC-2装置构成图

图7ZBAPF和ZBTSC-2安装位置示意图

某电池生产厂内/外化成车间安装ZBAPF和ZBTSC-2位置如图7所示，内化成车间采用ZBAPF进行就地补偿，外化成车间采用ZBTSC-2和ZBAPF结合进行补偿，ZBTSC-2中包含了ZBAPF模块和ZBTSC模块，其中无功电流由ZBTSC进行完全补偿，提高系统功率因数，ZBAPF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ZBAPF及ZBSVG型号4 ZBTSC和ZBAPF协同补偿原理

4 BTSC和ZBAPF协同补偿原理

ZBTSC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ZBTSC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ZBAPF进行滤波，降低系统电压的THDu和系统电流的THDi，再由ZBTSC来进行无功补偿，使ZBTSC支路谐波电流在允许范围内，保证ZBTSC工作的稳定性和寿命。

ZBTSC-2作为ZBAPF和ZBTSC的有机组合，由中央控制器统一控制，如何实现ZBAPF和ZBTSC的协同工作，做到先由ZBAPF滤除部分谐波，再由ZBTSC补偿无功功率，成为相当重要的课题。ZBAPF和ZBTSC的协调控制策略如图8所示。为保证谐波先由ZBAPF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ZBAPF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ZBTSC上一级电流iS中的无功分量，进行ZBTSC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8ZBTSC和ZBAPF协调控制策略

外化成车间ZBTSC-2中ZBTSC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ZBTSC可允许的谐波电流为

由于ZBAPF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ZBTSC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ZBTSC谐波电流值在24~28A，在ZBTSC额定工作范围内，可保证ZBTSC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ZBTSC-2进行补偿时，如果ZBAPF不启动，单由ZBTSC进行补偿时，单路ZBTSC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ZBTSC可允许的谐波电流范围，如果长期工作会导致ZBTSC支路的电容、电抗损坏。

图10ZBAPF不工作时单路ZBTSC基波电流

图11ZBAPF不工作时单路ZBTSC5次谐波电流

当ZBTSC-2中ZBAPF开启并正常工作时，ZBAPF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ZBTSC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12ZBAPF模块1输出5次谐波电流

图13ZBAPF模块2输出5次谐波电流

图14单个ZBTSC支路电流波形

图15单个ZBTSC支路电流频谱

现场运行证明，采用ZBTSC-2进行补偿，由ZBAPF滤除部分谐波，降低系统谐波含量，再由ZBTSC进行无功补偿，保障电容器的安全运行，达到了ZBAPF和ZBTSC协同补偿的目的。外化成车间安装ZBTSC-2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ZBAPF和ZBTSC的协调控制，先由ZBAPF滤除谐波，再由ZBTSC补偿无功，保证了ZBTSC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。

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