發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中電子開關型諧波源分析

李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中電子開關型諧波源分析

李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中越來越多采用電子開關型設備，不可避免的引入諧波污染。綜合考慮發(fā)電廠中4種電子開關型諧波源，分別對其進行了理論研究與仿真分析，并通過對某發(fā)電廠6 kV廠用電母線進行整體仿真分析諧波源對母線的影響。結(jié)果表明，一般情況下廠用電諧波源由于容量較小且多具備自身濾波措施，不會對母線產(chǎn)生較大影響。實際測量結(jié)果驗證了理論與仿真的正確性。

廠用電系統(tǒng)；電子開關型諧波源；仿真；諧波污染

0 引言

在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中，主要存在2種類型的諧波源：鐵磁飽和型與電子開關型［1］。鐵磁飽和型諧波源主要包括各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其由于存在鐵芯飽和現(xiàn)象而具有非線性。電子開關型諧波源主要為各種電力電子開關型設備，其通過脈沖間斷的方式從電力系統(tǒng)中吸收電流，呈現(xiàn)非線性。

目前發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中越來越多使用電子開關型設備，會產(chǎn)生大量諧波污染［2-3］，諧波可能造成損耗增加、保護誤動作和計量儀器不準確［4-8］。諧波是電能質(zhì)量標準的一項重要指標，對電廠發(fā)電機出口以及廠用母線的諧波分量進行監(jiān)測與治理非常必要。目前已有部分針對發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)諧波污染的研究，如文獻［9-14］都是針對發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的諧波的分析與抑制，但這些研究或是只針對某單一諧波源進行分析，或是只做概述型定性分析而未進行具體研究。

本文綜合考慮發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中多類主要的電子開關型諧波源，針對每類諧波源進行具體理論與仿真分析，可作為發(fā)電廠出具具體諧波治理方案、投運新設備前進行電能質(zhì)量評估等工作的理論依據(jù)，具有較好的參考價值。

1 發(fā)電廠電子開關型諧波源分析

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的電子開關型諧波源一般主要包括如下幾類：高壓變頻器、低壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源（UPS）。下面對以上4類諧波源進行簡要介紹與分析。

1.1 高壓變頻器

發(fā)電廠中的高壓變頻器主要用于電機變頻調(diào)速，某6 kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中所示A，B，C 3相高壓變頻裝置共有15個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為3組。根據(jù)電壓等級和單元串聯(lián)級數(shù)，一般由24，30，36，48，54脈沖系列等構(gòu)成多級移相疊加的整流方式，通過電流多重化技術減少對電網(wǎng)反饋的諧波，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，減小對電網(wǎng)的諧波污染。

1.2 低壓變頻器

低壓變頻器電壓等級一般在1 kV以下，某帶有進線濾波器的400V低壓變頻器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中所示的400 V低壓變頻器的輸入側(cè)是6脈動的三相整流橋，低壓變頻器對電網(wǎng)有很高的諧波噪聲影響，線電流中含諧波次數(shù)為n×6±1，其中n為1，2，3等整數(shù)。總諧波電流畸變率（THD）為30%～45%，可以通過安裝濾波器或12脈動的方式來減小諧波含量，最小諧波電流含量可以達到10%。圖2中低壓變頻器由于增加了網(wǎng)側(cè)進線濾波器，輸入側(cè)的諧波得以濾除，但在運行時，也會通過輸出側(cè)向電網(wǎng)注入一定數(shù)量的諧波電流。低壓變頻器一般是對系統(tǒng)注入諧波的電流的主要因素。

1.3 等離子點火器

等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)由隔離變壓器和電源柜2大部分組成。電源柜內(nèi)主要有由6組大功率晶閘管組成的三相全控整流器、大功率直流調(diào)速器、直流電抗器、交流接觸器、可編程邏輯控制器等。

圖1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 某低壓變頻器結(jié)構(gòu)

等離子點火器整流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中V1～V6共6個晶閘管接成三相全控整流橋。三相橋式全控整流電路為三相半波共陰極組與共陽極組的串聯(lián)，因此整流電路在任何時刻都必須有2個晶閘管導通，才能形成導電回路，其中1個晶閘管是共陰極的，另1個晶閘管是共陽極的，所以必須對2組中要導通的1對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖。整流器采用雙脈沖觸發(fā)方式，即在觸發(fā)某＃1晶閘管的同時給前＃1晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用2個窄脈沖等效替代大于60°的寬脈沖。

1.4 不間斷電源（UPS）

UPS主要由逆變器、蓄電池、整流器/充電器和轉(zhuǎn)換開關等組成。此類設備采用三相橋式二極管整流結(jié)構(gòu)，經(jīng)直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)后，再進行PWM逆變。某100 kV·A不間斷電源的整流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 等離子點火器整流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 UPS整流器拓撲結(jié)構(gòu)

圖4所示的結(jié)構(gòu)由2組首端連接移相變壓器的6脈沖整流器構(gòu)成，其直流母線電流由12個可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流器。2個整流橋產(chǎn)生的5次、7次、17次、19次等諧波相互抵消，注入電網(wǎng)的只有12 k±1（k為正整數(shù)）次諧波，即11，13，23，25等各次諧波，且其有效值與諧波次數(shù)成反比，與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

2 發(fā)電廠電子開關型諧波源仿真

2.1 高壓變頻器仿真分析

圖1中高壓變頻裝置輸出的最大頻率變化范圍為0.5～120 Hz，實際運行時的頻率調(diào)節(jié)范圍為45～55Hz，電機機端電壓變化范圍為5.4～6.0 kV。根據(jù)高壓變頻器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在仿真軟件PSCAD 4.2中搭建高壓變頻器的仿真模型，通過仿真來分析高壓變頻器對網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的影響，仿真結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 高壓變頻器進線電流仿真波形

圖6 高壓變頻器進線電流諧波百分比

圖5為高壓變頻器的A相進線電流仿真波形，其波形接近正弦但有明顯高頻諧波。高壓變頻器采用多級移相疊加的整流方式，不僅解決了器件的耐壓問題，還通過對每個單元的PWM波形進行重組，該電流多重化技術減少了對電網(wǎng)反饋的諧波，減小了對電網(wǎng)的諧波污染。

圖6為高壓變頻器A相進線電流諧波百分比，圖中所示信息反映出高壓變頻器電流的總體諧波含量較小，幅值相對較大的諧波出現(xiàn)在6 k±1（k為正整數(shù)）次。這是由于高壓變頻器的前端采用了多繞組的移相變壓器，使得各個單元的輸入側(cè)的不控整流注入的諧波電流相互疊加，從而抵消了輸入側(cè)的某些頻次電流諧波。

2.2 低壓變頻器仿真分析

對圖2中的400 V低壓變頻器進行仿真分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)與參數(shù)在仿真軟件PSCAD 4.2中搭建加入進線濾波器的低壓變頻器仿真模型。仿真模型電壓為400V，滿載電流為1 200A，整流器采用三相橋式二極管整流結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 低壓變頻器進線電流仿真波形

圖8 低壓變頻器進線電流諧波百分比

圖7為400V低壓變頻器的A相進線電流仿真波形，可見實際電流波形與正弦波形有一定差別，諧波含量較低。在輸出滿載運行的情況下，輸入側(cè)的諧波電流也相應增大。

圖8為400V低壓變頻器A相進線電流諧波百分比，根據(jù)圖中反映出的信息可知，400 V低壓變頻器的各頻次電流諧波中，幅值最大的5次諧波約為基波幅值的5%。雖然低壓變頻器未采取多重化、多電平化等技術，但由于增加了進線濾波器，仍將電流諧波含量限制在了較低限度內(nèi)。

2.3 等離子點火器仿真分析

根據(jù)圖3所示的結(jié)構(gòu)在PSCAD 4.2中搭建等離子點火器的整流柜模型，具體參數(shù)如下：輸入電壓，400V；滿載輸入電流，332 A；頻率范圍，45～65 Hz；最大直流輸出電壓，485 V；滿載直流輸出電流，400A。仿真結(jié)果如圖9～10所示。

圖9 等離子點火器進線電流仿真波形

圖10 等離子點火器進線電流諧波百分比

圖9為等離子點火器A相進線電流仿真波形，可見其波形與低壓變頻器的電流波形類似，與正弦波形差別很大，諧波含量高。圖10為等離子點火器A相進線電流諧波含量百分比，產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)為6 k±1（k為正整數(shù)）次，其中幅值最大的諧波為5次諧波，其幅值約為基波幅值的70%，另外也會產(chǎn)生7，11等次的諧波電流。但由于等離子點火器電壓較低，容量較小，所以對高壓母線影響不是很大。

2.4 不間斷電源（UPS）仿真分析

根據(jù)圖4中的12脈波整流器結(jié)構(gòu)與參數(shù)在PSCAD 4.2中搭建UPS整流器模型，其工作電壓為220 V，滿載電流為250 A，仿真結(jié)果如圖11～12所示。

圖11 UPS進線電流仿真波形

圖12 UPS進線電流諧波百分比

圖11為UPS的A相進線電流波形，其波形接近正弦。圖12為UPSA相進線電流諧波含量百分比，產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)為12 k±1（k為正整數(shù)）次，這是因為12脈波整流器是采用2組6脈波整流器疊加，降低了電流諧波含量。

3 實例分析

本節(jié)選擇某火電廠6 kV廠用電母線作為研究實例進行分析，該母線由單臺主變供電，接入變壓器數(shù)量為2臺，參數(shù)為50/31.5/31.5MV·A和27/6.3-6.3 kV，母線所連設備包括高壓水泵、高壓風機、高壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源、低壓變頻器等，其中高壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源、低壓變頻器屬于電子開關型諧波源。

3.1 母線整體仿真分析

在PSCAD 4.2中搭建仿真模型，6 kV廠用電母線負載為20MV·A，將所有電子開關型諧波源滿載加入母線，仿真結(jié)果電壓總畸變率THD＝0.588，仿真波形如圖13所示。

圖13 6 kV母線三相電流仿真波形

仿真諧波電流幅值如圖14所示，由圖中可知，幅值最大的諧波電流為5次、7次諧波，其幅值約為5A，與基波電流（幅值2 kA）相比很小。仿真結(jié)果表明，雖然某些諧波源THD較大，但由于其功率相對母線功率很小，所以產(chǎn)生的諧波污染較小，符合相應國家標準［15］。

圖14 6 kV母線電流諧波幅值

3.2 母線諧波實測結(jié)果

對該發(fā)電廠廠用電母線編號為6 kV-61B、6 kV-62B的兩段母線進行實際測量，本次諧波檢測時間為兩段母線分別持續(xù)40 min，測試周期為0.25 s，統(tǒng)計周期為40min。測試過程中用戶大部分設備投入工作，負荷在15MV·A左右。

通過對各時段的統(tǒng)計結(jié)果進行分析，華能金陵電廠標號為61B和62B的6 kV母線電壓為6.1 kV，電壓總畸變率均在0.5%左右，與3.1節(jié)中仿真結(jié)果相符，達到了規(guī)定的6 kV電壓等級電壓總諧波畸變率低于4.0%的要求。

4 結(jié)束語

本文就發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的電子開關型諧波源進行了分析研究，綜合考慮了高壓變頻器、低壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源四種類型的諧波源，并分別對其進行理論研究和仿真分析。母線整體仿真表明，4種類型的諧波源或是采用進線濾波器、電流多重化等技術減小諧波，或是由于本身容量較小，對廠用電母線影響一般能控制在國家標準要求之內(nèi)，實例測量結(jié)果也驗證了仿真結(jié)果的正確性。對發(fā)電廠廠用電諧波分析與治理具有一定參考價值。

［1］史朝暉.發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)諧波監(jiān)測與抑制［D］.濟南：山東大學，2005.

［2］林建軟，杜永宏.電力系統(tǒng)諧波危害及防止對策［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（2）：28-31.

［3］劉穎.高壓大功率變頻器諧波分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

［4］吳國沛，劉育權，任震.電力系統(tǒng)諧波對繼電保護裝置的影響［J］.電力自動化設備，2002，22（7）：78-79.

［5］蘇紅波，尹項根，陳樹德.高靈敏度的三次諧波式發(fā)電機定子接地保護［J］.電力系統(tǒng)自動化，1997，21（3）：36-38.

［6］陸楊.供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其防護對策［J］.華東電力，2003，31（10）：75-77.

［7］王增平，張舉，焦彥軍，等.發(fā)電機保護中的三次諧波濾過器和濾波器算法［J］.華北電力大學學報（自然科學版），2001，28（3）：6-9.

［8］鄧志，徐柏榆，梅桂華，等.諧波功率對感應式有功電度表計量的影響［J］.中國電機工程學報，2002，22（4）：37-42.

［9］彭晨光，曾小超，劉連光，等.基于派克變換算法的空冷電廠廠用電諧波分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（5）：25-29.

［10］劉麗影，侯淑蓮，顧學宏.基于ETAP仿真的直接空冷機組廠用電諧波分析與抑制研究［J］.電力科學與工程，2012，28（2）：18-25.

［11］張成，古力迪娜，程水興.發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中諧波的問題與控制措施［J］.科技風，2014（7）：75-75.

［12］穆偉.發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中諧波的抑制措施［J］.中小企業(yè)管理與科技旬刊，2010（24）：314-314.

［13］陳偉淳.廣州恒運熱力公司廠用電諧波分析與治理［D］.廣州：華南理工大學，2010.

［14］林令知，張永平.發(fā)電廠空冷變頻裝置諧波及其抑制技術分析［J］.電氣應用，2011（22）：32-35.

［15］胡斌，舒欣，李偉.《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T 14549—1993國標實際應用中局限性的探討［C］//電能質(zhì)量及柔性輸電技術研討會.2014.

（本文責編：齊琳）

TM 621.3

B

1674-1951（2016）11-0030-05

李虎（1985—），男，江蘇徐州人，工程師，從事電氣相關運行和生產(chǎn)準備方面的工作（E-mail：zhendong＿ji＠126.com）。

2016-06-15；

2016-09-30