单晶硅行业电能质量治理方案

单晶硅行业电能质量治理方案

朱皓天

恩菲索科技（天津）有限公司   天津市   300113

摘要：本文结合制作单晶硅企业的工艺流程及负载特性，阐述了单晶硅生产过程中产生的电能质量问题，并阐述了过往在使用有源滤波器治理谐波的过程中产生的问题，给出专业的解决方案，通过实例验证了方案的可行性。

关键词：单晶硅；有源滤波器；电能质量；谐波

一、背景介绍

晶体材料具有多样化特征，而单晶硅是至关重要的组成部分，随着新材料技术研发不断创新，单晶硅材料开发应用技术水平也显著提升。在单晶硅生产制造中，需应用多种电器设备，常见有线切机、中频炉、多晶炉等等，在各类设备运行过程中，会产生大量谐波，容易诱发跳闸故障。

二、工艺流程及设备特性

在单晶硅炉运行过程中，整流电源功率比较大，可形成热场；在高质量单晶硅生产在还早中，要求对热场稳定性进行严格控制，因此，加热电源的性能和稳定性又是单晶生长工序环节中最重要的设备之一。在单晶硅设备运行中，会产生很多谐波电流，从而对设备和电网都产生不利的影响，在熔料过程中，当熔料功率不断增加时，谐波含量也会随之增加。

三、电能质量问题

单晶炉直流加热电源一般采用变压器降压，副边可控硅整流输出，通常有6脉波或12脉波或双输出等类型，往往会产生5、7、11、13次谐波，且谐波畸变率较高。

谐波对单晶炉设备影响主要为两方面，一方面是单晶炉产生的谐波电流会造成造成系统电压畸变，使单晶炉内部传感器失灵，造成测量误差，从而使生产的单晶硅质量不合格，造成人工、时间和原材料的浪费。另一方面，谐波还会造成PLC控制失灵，严重时可使设备瘫痪或者烧坏，对用户生产造成极大的损失。然后，在谐波的影响下，会形成脉动转矩，使得电动机发生振动，可对晶体正常生长造成不良影响，同时还会造成电机的使用年限明显缩短。

四、解决方案

目前市面上解决谐波的方案共两种：无源滤波和有源滤波。

对于无源调谐滤波器，又可被称为LC滤波器，其是由滤波电容器、滤波电抗器以及滤波电阻器所组成的，其能够与谐波源并联，进而发挥滤波作用。

由于无源滤波的工作特性，导致了其有以下的缺点：

(1)通常情况下，无法同时发挥无功补偿以及谐波滤除的效果，尤其是如果功率因数比较大，则谐波滤除率会显著降低；

(2)滤波器与系统可共同形成谐振回路，当谐波次数达到一定值时，谐波显著放大，甚至造成谐振，对系统运行稳定性构成严重危害；

(3)无源器件结构体积比较大，比如，在电容、空心电抗器安装中，需预留较大安装空间。

随着电力电子产品的发展，负载的谐波特性和运行环境越来越复杂，无源滤波渐渐的不能满足客户的现场需求，客户迫切需要一款高效、灵活的滤波方式，这时，有源滤波登上历史舞台。

有源滤波通过外部电流采样互感器对负载电流进行实时监测，将采集的模拟信号传递到主控芯片进行分析处理，在形成PWM驱动信号后，可对IGBT功率模块进行有效控制，与此同时，还可形成补偿电流，其与电网谐波电流幅值大小相同，但是二者的极性相反，这一电流能够直接注入至电网中，进而有效补偿谐波电流。

五、单晶硅行业滤波注意事项

在单晶炉生产制造中，不仅需应用炉本体，同时还需联合应用真空设备、运动设备以及加热设备等等。复杂的行业特性和物理特性，造成一系列问题，导致有源滤波的故障率升高。

（一）容性无功问题：

单晶炉现场系统功率因数较高，无功功率会在零附近进行正负跳动，使得系统在一段时间内呈现容性，由于有源滤波器整体呈现感性，这个时候就构成了LC回路，有可能和某次谐波或者高频信号发生谐振，最终造成有源滤波器损坏。

（二）高频谐波问题：

单晶炉电源自身工作时会有18.5kHz、32kHz的高频电流成分输出。对于这些高频信号会造成直流母线电压升高，而且会灌入到有源滤波器内部，由于有源滤波器内部具有高频滤波通道，给这些灌入进来的高频信号提供了低阻抗通道的同时，还会对某些高频信号还会存在放大的问题，进而引发高频滤波通道过电流和谐振问题，严重影响了有源滤波器的稳定运行，造成有源滤波器设备的损坏。

（三）配电房环境问题：

单晶炉工作时，会排出大量导电介质，现场配电环境比较恶劣，带电介质会破坏设备的绝缘性能，引发设备内部局部放电，极易造成短路故障，造成设备的损坏。

六、解决方案

(1)抗谐振设计

通过LCL并联电阻可以避免设备谐振，但是，无源阻尼所产生的能量损耗比较大，对此，可应用控制框图等效，同时，对于无源阻尼，可虚拟至控制中，使其能够与原系统滤波器运行中所传递的函数保持相同，从而解决有源设备的谐振隐患。

(2)抗污染设计

针对导电性的污染或干性污染物高度积聚下可能导电的环境，设计适宜的绝缘距离，满足设备可以在高污染及导电粉尘的恶劣环境下长久可靠的运行。

(3)柜体前门板防护改进

由于现场存在带电粉尘，需要在于柜体前门板进风口（模块进风类型为前进后出）加装防尘棉，确保带电粉尘不易进入设备内部。

(4)柜体后门增加风机散热

模块前面板增加防护后，进风量有所减小，所以要加大风机的功率，保证模块正常运行。建议根据柜体内部的模块数量对后门增加风机的排风量。

(5)柜体内部定期清理

建议根据现场粉尘情况，定期每个月对柜体内部进行除尘清理，并每3个月更换一次防尘棉。

七、单晶硅行业滤波应用实例

与某单晶硅制造企业合作，对其单晶炉的产线进行了电能质量治理工作，分析配电系统在滤波治理前后的电流波形和谐波含量，验证有源滤波器对于单晶硅行业配电系统电能质量治理的工作效果。

图六 APF投入前电压电流波形

图七 APF投入后电压电流波形

图八 APF投入前系统谐波电流百分比

图九 APF投入后系统谐波电流百分比

对比实验结果数据可以得出，有源滤波器投入运行后，系统电流呈现正弦波，电流畸变率THDI由34.2%降低至5.44%。主要次数谐波5次、7次、11次、13次已经基本消除，滤波效果明显。

和厂房电气专工沟通，有源滤波器工作之后，单晶炉的故障率有所降低，生产出来的单晶硅合格率有所提高。之前有源滤波厂家有源滤波器故障频发，在进行了整改之后，有源滤波器运行至今有一年有余，目前没有发生故障的情况，设备整体运行良好。

八、结语

通过本文所述案例进行分析可见，在单晶炉配电系统运行过程中，有源电力滤波器的电能质量比较好，可有效消除谐波，避免其对晶体正常生长造成不良影响，进而显著提升配电系统运行安全性与可靠性。

在有源滤波器的内部内部结构、设计整改升级，柜体结构优化之后，整体设备的运行寿命大大提高，提高了配电房的安全运行程度，提升了客户的满意度，为以后电能质量厂家治理单晶硅行业提供了参考。

参考文献：

【1】全国电压电流等级和频率标准化技术委员会，GB/T 14549－1993 《电能质量 公用电网谐波》［S］． 北京：中国 标准出版社，1994．

【2】王慧，基于DSM的单晶硅企业电能质量分析［D］.宁夏：宁夏大学 2015 22~23

【3】肖湘宁，电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2004．