抽水蓄能電站網(wǎng)側諧波分析與消除

泰 榮，李子龍，王 熙

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省武漢市 430000）

0 引言

靜止變頻器（SFC）廣泛應用于大型抽水蓄能電站機組抽水工況啟動，滿足機組電動機工況并網(wǎng)需要。靜止變頻系統(tǒng)（SFC）的核心部分由相控整流器和有源逆變器組成，通過對非線性半導體功率器件的開關控制，實現(xiàn)變壓、變頻[1]。SFC裝置運行時，向電網(wǎng)注入大量高、低次諧波電流。諧波嚴重影響廠用電系統(tǒng)和其他設備，甚至導致設備停運[2]。

分析機組抽水啟動過程中的諧波并將其消除，可極大地改善電網(wǎng)環(huán)境。目前多采用無源調諧濾波器抑制諧波，但補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易導致系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，LC濾波器過載甚至燒毀[3]；此外無源濾波器對低次諧波濾除效果也不理想，尤其頻率接近基波的諧波無法濾除；因負載換向變頻啟動的力矩脈動造成的網(wǎng)側電流不平衡，無源濾波器無法補償。有源濾波器可以動態(tài)實時補償諧波，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，從而有效濾除諧波。

本文對靜止變頻器裝置（SFC）拖動機組過程中的電網(wǎng)側諧波進行詳細分析，研究了有源濾波器（APF）消除網(wǎng)橋側諧波的方法，最后基于MATLAB對其結果進行了驗證。

1 SFC傳動系統(tǒng)諧波分析

靜止變頻系統(tǒng)（SFC）是由整流器和逆變器組成的一個晶閘管負載換流（LCI）交流電機調速系統(tǒng)[4]，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 SFC系統(tǒng)示意圖Figure 1 System diagram of SFC

此變頻器采用的是交—直—交的拓撲方式，其中整流橋將交流變換成直流，整流橋特性忽略整流過程中的換相過程和直流側電流脈動，假定交流側電抗為0，直流電感足夠大。根據(jù)傅里葉分解，十二脈波整流器電流的特征諧波為12k±1次，公式如下[5][6]：

式中：isa為整流橋網(wǎng)側電流；Id為直流側平均電流；k為諧波次數(shù)。負載換流式變頻器在拖動同步電機的初始階段，因電機的反電動勢低導致無法進行晶閘管自然換向，故拖動的全過程分為低速脈沖耦合階段和高速自然換向階段[7]。低速脈沖耦合階段網(wǎng)側典型電流波形及其傅里葉分解頻譜圖如圖2、圖3所示。

圖2 低速階段網(wǎng)側電流isa 1—強迫換相期間網(wǎng)側電流Figure 2 Grid-side isa in the low-speed period

圖3 低速階段網(wǎng)側電流isa頻譜圖Figure 3 Spectrum diagram of grid-side isa in the low-speed period

從圖2中可以看出，網(wǎng)側電流含有11、13、15等12k±1次特征諧波，電流諧波總含量THD=11.49%，明顯超過國際標準5%的范圍。各次諧波電流數(shù)值如表1所示。

高速自然換相階段SFC網(wǎng)側電流波形及其傅里葉分解頻譜圖如圖4、圖5所示。

圖4 高速階段網(wǎng)側電流isaFigure 4 Grid-side isa in the high-speed period

圖5 高速階段網(wǎng)側電流isa頻譜圖Figure 5 Spectrum diagram of grid-side isa in the high-speed period

表1 各次諧波電流數(shù)值Table 1 Each harmonic current value

從圖4、圖5可以看出，高速階段的波形除明顯的諧波超標外，THD=16.55%，此之外還有低次非特征諧波。

2 有源濾波器原理

針對上述的靜止變頻系統(tǒng)的諧波分析可知，無源濾波器僅僅對高次諧波的濾除效果好，對低次諧波和不平衡電流的補償效果很差或幾乎沒有。有源電力濾波器可以用于濾除34次以下的特定次諧波[5]?；贗GBT并聯(lián)型有源電力濾波器通常存在PWM逆變器和主控制部分，其結構示意如圖6所示。

如圖6所示，通過實時檢測負載電流iL和進線電壓，計算出諧波補償電流瞬時參考值ic*，根據(jù)補償電流指令信號ic*和實際補償電流ic之間的差別，生成主電路各個器件通斷的PWM信號，保證補償電流ic實時跟蹤其指令信號ic*，抵消負載電流中諧波部分，使網(wǎng)側電流is不含諧波，實現(xiàn)濾波的目的[8]。

為了消除諧波，需進行諧波檢測。根據(jù)瞬時功率和坐標變換理論，對于三相平衡系統(tǒng)，當系統(tǒng)含有諧波成分時，Park變換后電流可分為直流分量和交流分量，其中基波對應直流分量，諧波對應交流分量，去除其變換后的交流分量，將其直流分量進行反變換得到負載電流基波分量，將負載電流減去基波分量即可得諧波分量。其中負序電流變換后為一個2倍頻的諧波，可低通濾波器濾除[8]?；诖说膇p、iq檢測諧波方法原理如圖7所示。

圖6 并聯(lián)型有源電力濾波器結構示意圖Figure 6 Schematic diagram of shunt active power filter

圖7 ip-iq檢測法原理圖Figure 7 Principle of ip-iq detection

圖7中，將采樣的三相電流ia、ib、ic和進行Park坐標變換（d軸與A相重合），分離出有功和無功電流ip、iq。低通濾波器的作用是得到有功和無功電流的直流分量。最后在逆變換之后，與三相電流做加減運算，可以得出諧波指令電流。其中坐標變換矩陣[8]

為Clark變換及其反變換矩陣。

為Clarkαβ坐標系與Parkdq坐標系之間的變換矩陣。

3 諧波補償效果

基于MATLAB仿真軟件，對機組變頻啟動過程中進行仿真，并分別對投入有源電力濾波器前后的波形進行對比，通過快速傅里葉變化分析網(wǎng)側電流的總諧波含量。低速脈沖耦合階段SFC網(wǎng)側補償前的電流波形、補償后的網(wǎng)側電流波形如圖8、圖9所示。

從圖8~圖10中看出，低速階段補償前的網(wǎng)側電流畸變嚴重，補償后網(wǎng)側電流呈正弦化，電流畸變率THD=1.51%，符合國際標準對諧波的要求，諧波含量如表2所示。

圖8 低速階段補償前的網(wǎng)側電流isaFigure 8 Grid-side isa before compensation in the low-speed period

圖9 低速階段補償后的網(wǎng)側電流isaFigure 9 Grid-side isa after compensation in the low-speed period

高速自然換相階段SFC網(wǎng)側電流補償前后的波形如圖11、圖12所示。

圖11和圖12是高速階段的網(wǎng)側電流補償前后波形圖，從中可知，高速階段網(wǎng)側電流波形不僅僅會出現(xiàn)嚴重的諧波，而且電流也會出現(xiàn)嚴重的不平衡的情況，對電網(wǎng)和廠用電設備造成嚴重的危害，在投入濾波器后，網(wǎng)側電流諧波和不平衡的情況均得到了消除，此時THD=0.41%，使網(wǎng)側電流為標準的正弦波。消除了SFC拖動機組對電網(wǎng)的諧波危害。

圖10 低速階段補償后的網(wǎng)側電流isa頻譜圖Figure 10 Spectrum of grid-side current isa after compensation in low-speed period

表2 各次諧波電流數(shù)值Table 2 Each harmonic current value

圖11 高速階段補償前的網(wǎng)側電流isaFigure 11 Grid-side current isa before compensation in the high-speed period

圖12 高速階段補償后的網(wǎng)側電流isaFigure 12 Grid-side current isa after compensation in the high-speed period

圖13 高速階段補償后的網(wǎng)側電流isa頻譜圖Figure 13 Spectrum of grid-side current isa after compensation in high-speed period

4 結論

靜止變頻器（SFC）在拖動機組抽水過程中，因非線性的電力電子負載和拖動力矩脈動，造成網(wǎng)側電流畸變嚴重和不平衡，在SFC網(wǎng)側并聯(lián)一臺有源濾波器，利用其對諧波頻次無要求和動態(tài)濾波的能力，實時補償?shù)窒C波電流，低速階段將電流諧波含量THD從11.49%降至1.51%，高度階段的電流諧波含量THD從16.55%降至0.41%，且消除了電流不平衡情況，仿真結果表明在SFC的高壓側裝設適當容量的有源電力濾波器，可實時補償任何諧波，極大的改善電網(wǎng)環(huán)境，保證電網(wǎng)的可靠運行。