抽水蓄能電站廠用電諧波的抑制

郝國文

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

抽水蓄能電站廠用電諧波的抑制

郝國文

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

本文闡述了SFC裝置產(chǎn)生的諧波對廠用電系統(tǒng)的影響，分析了幾個抽水蓄能電站不同的主接線方式，并從電抗器配置的情況對諧波的抑制作用進行了說明。提出了泰山抽水蓄能電站廠用電諧波抑制的方案，并對所需配置的電抗器進行了參數(shù)校核。提出了幾個需要注意的問題，可為后續(xù)其他電站的改造和設(shè)計提供借鑒。

抽水蓄能；廠用電；SFC；諧波

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動的功能，是電網(wǎng)重要的電源調(diào)節(jié)手段，在電網(wǎng)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。抽水蓄能機組電動工況啟動以靜止變頻器（SFC）啟動為主，以背靠背啟動方式為輔，對于后續(xù)投產(chǎn)的機組數(shù)量在6臺及以上的抽水蓄能電站將會配置兩臺SFC用于啟動，背靠背啟動的方式將逐步取消。由于SFC裝置在啟動時會產(chǎn)生諧波，對電源產(chǎn)生影響，本文針對泰山抽水蓄能廠用電的諧波情況進行了分析，提出了抑制諧波對廠用電影響的方案，并對設(shè)備選型計算過程進行了具體的說明，為后續(xù)新建設(shè)電站廠用電諧波抑制提供借鑒。

1 抽水蓄能電站SFC諧波情況

目前抽水蓄能電站配置的SFC裝置一般選用電流源型交—直—交變頻器，采用直流電抗器布置在整流器和逆變器之間用于緩沖無功功率。SFC在短時運行時將產(chǎn)生大量諧波，是抽水蓄能電站的最大諧波源，理論上SFC運行時只產(chǎn)生特征諧波，即在整流橋的電源側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為：

式中：h——特征諧波次數(shù)；

p——整流橋脈動數(shù)，對于SFC一般為6或12；

k——整數(shù)1，2，3……

對于6脈沖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)為5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35、37、41、43、47、49……

對于12脈沖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)為11、13、23、25、35、37、47、49……

從產(chǎn)生諧波含量上講，12脈沖的要較6脈沖的產(chǎn)生的諧波要少，對廠用電的影響也就要小。因此，對于采用6脈沖SFC的抽水蓄能電站要注意諧波對廠用電的影響。由于SFC裝置與電網(wǎng)之間還有主變壓器和電抗器，且SFC為短時運行模式，因此SFC運行時產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)影響小，對于電網(wǎng)來說基本可以不用考慮。

2 泰山抽水蓄能電站諧波的影響

泰山抽水蓄能電站SFC裝置為6脈沖結(jié)構(gòu)，廠用電諧波在SFC啟動時諧波量較大，SFC啟動時機組出口電壓總畸變率為2.804%，諧波電流最大占總電流的25.9%；廠用10kV母線電壓總畸變率最大達10.8%，廠用400V電壓總畸變率最大達8%，超過了GB/T 14549《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值。

為了緩解諧波影響，泰山電站原設(shè)計配置有濾波器，濾波器由電容和電感組成，主要用于濾除5次和7次諧波。在泰山抽水蓄能電站投運初期，濾波器的投切斷路器因參與流程控制，易造成SFC啟動失敗，經(jīng)過分析考慮當時的諧波對電網(wǎng)的影響較小，因此將濾波器的斷路器控制回路進行了一些修改，使其僅參與控制流程而不實際投入。

經(jīng)過長時間的運行后，SFC運行時產(chǎn)生的諧波問題逐漸凸顯，例如SFC啟動時運行人員用于監(jiān)視系統(tǒng)頻率的頻率表顯示異常，有時甚至跳變至100Hz左右且經(jīng)常損壞，SFC啟動時監(jiān)控系統(tǒng)UPS裝置經(jīng)常出現(xiàn)整流器故障報警，上庫有一臺配電開關(guān)在SFC啟動時經(jīng)常跳閘，3號機組水導油泵在SFC啟動時經(jīng)常出現(xiàn)切換，可見SFC啟動時諧波對廠用設(shè)備的影響還是不容忽視?？紤]到重新投入濾波器可能帶來較多的運維問題，因此有必要采取一種更為簡單可靠的方法對廠用電諧波進行抑制。

3 幾種不同電抗器的接線方式

為了抑制SFC的諧波，最簡單的方法是在SFC輸入端加裝限流電抗器，一方面起到了限制短路電流的水平，使電抗器后短路電流限制在SFC輸入開關(guān)的額定開斷電流以下；另一方面就是抑制諧波。

在抽水蓄能電站中，SFC有的與高壓廠用變壓器直接連接，有的經(jīng)過電抗器會合，有的可能經(jīng)過主變壓器后再會合。

下面介紹幾個不同電站的接線方式：

方式1。泰山抽水蓄能電站、桐柏抽水蓄能電站：SFC與高壓廠用變壓器直接連接，電抗器在PCC的前面。這種接線方式SFC產(chǎn)生的諧波對廠用電系統(tǒng)的影響最為直接，影響也最大。這種方式中限流電抗器配置參數(shù)按SFC和高壓廠用變壓器負荷共同計算確定。方式1接線示意圖見圖1。

圖1 方式1接線示意圖

方式2。宜興抽水蓄能電站、響水澗抽水蓄能電站：SFC輸入電源和高壓廠用變壓器在主變壓器低壓側(cè)經(jīng)各自的限流電抗器后供電。這種接線方式SFC產(chǎn)生的諧波電壓經(jīng)兩級電抗器降落才傳遞到廠用變壓器，這樣對于抑制諧波非常有效。這種接線方式中限流電抗器配置參數(shù)不同，一種針對高壓廠用變壓器負荷計算確定，一種針對SFC負荷計算確定。方式2接線示意圖見圖2。

圖2 方式2接線示意圖

方式3。西龍池抽水蓄能電站：SFC電源與高壓廠用變壓器取自不同的主變壓器低壓側(cè)，并且各自經(jīng)過限流電抗器。這種接線方式是減少SFC諧波對廠用電影響的最好的一種接線方式。這種接線方式對電站早期有些許影響，需要兩臺主變壓器一起投運才能確保SFC和高壓廠用變壓器都帶電，投運后基本無影響，主變壓器停電檢修產(chǎn)生的影響也與方式1的情況類似。這種接線方式中有兩種參數(shù)不同的限流電抗器，一種針對高壓廠用變壓器負荷計算確定，一種針對SFC負荷計算確定。方式3接線示意圖見圖3。

圖3 方式3接線示意圖

方式4。蒲石河抽水蓄能電站：四臺主變壓器低壓側(cè)均安裝有電抗器，其中2、4號主變壓器低壓側(cè)經(jīng)電抗器供SFC和高壓廠用變壓器用電，1、3號主變壓器低壓側(cè)經(jīng)電抗器后僅供高壓廠用變壓器用電。在正常運行時SFC和高壓廠用變壓器可以經(jīng)由不同的主變壓器供電，這樣諧波產(chǎn)生的影響就小，在1號和3號主變壓器同時停電檢修時才切換至由另外一臺主變壓器經(jīng)電抗器后給SFC和高壓廠用變壓器同時供電，這種情況下諧波對廠用電的影響與方式1相同，但這種情況出現(xiàn)的幾率較少。這種接線方式中有兩種參數(shù)不同的限流電抗器，一種只針對高壓廠用變壓器負荷計算確定，一種針對SFC和高壓廠用變壓器同時供電負荷計算確定。方式4接線示意圖見圖4。

圖4 方式4接線示意圖

各電站電抗器配置參數(shù)見表1。

表1 各電站電抗器配置參數(shù)表

4 抑制諧波的改進方案及電抗器的選型

結(jié)合泰山抽水蓄能電站的接線情況，如果采用在2、4號主變壓器低壓側(cè)加裝電抗器需要增加一組隔離開關(guān)，主變壓器低壓側(cè)的接線要做較大的改動，不經(jīng)濟可行。較為經(jīng)濟可行的方案應該是在目前接線的方式下進行較小的改動，由方式1改為方式2，在1、3號主變壓器低壓側(cè)電抗器位置再各增加一組電抗器用于單獨給高壓廠用變壓器供電，根據(jù)高壓廠用變壓器的參數(shù)重新計算選取合適的電抗器，應該是較為合理、經(jīng)濟的改造方案。這個方案僅需要增加兩組電抗器、連接所需的銅排和絕緣子及其支架，不需要增加其他設(shè)備。

在高壓廠用變壓器高壓側(cè)單獨增加限流電抗器，電抗器額定電壓為15.75kV，高壓廠用變壓器額定電流為231A，按照1.1～1.2倍的額定電流計算為254.1～277.2A，結(jié)合JB 629《限流電抗器》標準，額定選擇為350A。

15.75kV電壓等級下短路基準電流為：

根據(jù)目前高壓廠用變壓器高壓側(cè)開關(guān)配置情況，要求電抗器后的短路電流小于25kA，電源至電抗器后的短路點的總電抗標幺值為：

系統(tǒng)最大運行方式，電源至電抗器前的系統(tǒng)電抗標幺值為：

因此電抗器的標幺值為：

電抗百分數(shù)為：

結(jié)合JB 629《限流電抗器》標準，電抗百分數(shù)取2%。

SFC額定容量為19.39MVA，額定電流為710A，按照1.1～1.2倍的額定電流計算為781～852A，結(jié)合JB 629《限流電抗器》標準，額定選擇為850A。

電抗百分數(shù)為：

參照JB 629《限流電抗器》標準，并考慮充足的短路裕量，電抗百分數(shù)可取4%。

參照電抗器電抗百分數(shù)與電感值的計算公式，則850A，4%的電抗器電感值為：

泰山抽水蓄能電站原有電抗器參數(shù)是根據(jù)高壓廠用變壓器高壓側(cè)開關(guān)和SFC輸入開關(guān)額定開斷的短路電流為25kA進行計算得到電抗器的參數(shù)為額定電壓15.75kV、額定電流1250A、1mH，電抗器廠家根據(jù)電感值確定的電抗百分數(shù)為選擇為3.5%。折算得到電抗標幺值為（15.75kV，100MVA）:

數(shù)值小于按照25kA短路電流進行核算后得到的電抗器最小的電抗標幺值0.113895658。

按照JB 629《限流電抗器》標準，電抗百分數(shù)至少應取4%。目前安裝的限流電抗器電抗百分數(shù)為3.5%，低于計算值。如果按照發(fā)電機廠家計算得到的電感值為1mH，電抗百分數(shù)選擇為3.5%，則根據(jù)可得到額定電流為1031.33A，因此原電抗器存在選型額定電流偏大、電抗百分數(shù)偏小的問題。

5 短路電流和電壓損失校核

5.1 短路電流校核

1、3號主變壓器低壓側(cè)的至SFC的電抗器選型為15.75kV、850A、電抗百分數(shù)為4%的限流電抗器，系統(tǒng)最大運行方式電抗器后短路最大電流為17.8605kA；至高壓廠用變壓器的電抗器為15.75kV、350A、電抗百分數(shù)為2%的限流電抗器，系統(tǒng)最大運行方式電抗器后短路最大電流為15.1343kA。短路電流滿足要求。

5.2 電壓損失校驗

正常運行時的電壓損失：要求小于5%。

SFC電抗器的電壓損失為：

高壓廠用變壓器電抗器的電壓損失為：

滿足要求。

5.3 電抗器后面短路母線殘壓校驗

要求大于60%～70%。校驗公式：

SFC電抗器后面短路母線殘壓：

高壓廠用變壓器電抗器后面短路母線殘壓：

滿足要求。

6 其他需要注意的問題

6.1 注意電抗器選型時電抗器的熱穩(wěn)定電流與最大短路電流匹配的問題

選擇的電抗器的熱穩(wěn)定電流要大于經(jīng)過該電抗器限流后的最大短路電流，在電抗器安裝時要注意做好防止電動力損壞電抗器的問題，做好與電抗器連接電纜的支撐和固定。

6.2 注意銅鋁連接問題

由于目前各廠家生產(chǎn)的限流電抗器一般為鋁線圈，而電纜接線端子一般為銅質(zhì)，要在生產(chǎn)訂貨時考慮銅鋁過渡的連接，可在生產(chǎn)時采用銅鋁過渡接頭或者在安裝時采用銅鋁過渡板。

6.3 注意電抗器后短路保護的問題

目前抽水蓄能電站的保護配置對于電抗器后短路考慮的不足，電抗器后短路時，由于電抗器的限流作用使短路電流減小，主變壓器高壓側(cè)的后備過流保護如果整定和配置考慮不周，將造成電抗器后短路缺少后備保護，應考慮其他的后備保護予以補充。

7 結(jié)束語

泰山抽水蓄能電站廠用電諧波治理改造工作已在2013年底完成，安裝了額定電流為850A和350A的限流電抗器各兩組，改造后2014年對廠用電電能質(zhì)量進行了測試，SFC啟動中廠用電10kV母線電壓總畸變率降為4.0%左右，已經(jīng)達到了GB/T 14549《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中對公用電網(wǎng)諧波電壓限值的要求。從近幾年抽水蓄能電站的設(shè)計上，各設(shè)計院已經(jīng)對限流電抗器的配置進行了逐步優(yōu)化，但投產(chǎn)時間長的電站，還需要對SFC運行中產(chǎn)生諧波的影響予以關(guān)注，必要時開展相應的改造工作。

[1] 梁見誠，楊梅.蓄能機組變頻啟動過程的諧波限制[J].水電站機電技術(shù)，2004，12.

郝國文(1981—)，男，大學本科學歷，工程師，國網(wǎng)新源控股有限公司運維檢修部電氣二次主管，主要從事抽水蓄能電站電氣二次設(shè)備管理。

Restrain Harmonic of Station Service in the Pumped Storage Power Station

HAO Guowen
（State Grid XinYuan Company LTD.，Beijing 100761，China）

Describes the influence of the Static frequency converter emits harmonics in the pumped storage power station，analyzed several kinds of main wiring，explains the inhibitory effect on the reactor configuration for harmonic.Formulated to reduce harmonic scheme for Taishan pumped storage power station，calculated the reactor parameter. And puts forward some problems need to be attention，which can provide reference for the design and reconstruction of other Pumped storage power station in the future.

pumped storage power plant；auxiliary power supply；SFC；harmonic