基于ETAP軟件的燃機機組壓母線的諧波分析與治理

魏錫年

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021）

0 引言

由于聯(lián)合循環(huán)機組具有熱效率高、污染少等優(yōu)點，在國內(nèi)外發(fā)電廠中聯(lián)合循環(huán)電站占有一定比例。燃機機組啟動時，通過一套啟動裝置拖動燃氣輪機、發(fā)電機轉子轉動，完成燃機升速、吹掃、點火、加速等過程，這套啟動裝置通常被稱作靜態(tài)變頻啟動裝置(static frequency converter，SFC)，這是一套變頻驅動裝置。在運行時會產(chǎn)生諧波電流，尤其是燃機機組黑啟動時，黑啟動柴油發(fā)電機組給中壓母線供電，此時廠用電短路容量較小，諧波電流對其它負荷的影響更為明顯，為了滿足諧波電流不超過黑啟動柴油發(fā)電機組的允許值，需要設置濾波裝置。本文著重分析SFC運行時中壓母線諧波電流大小以及如何加以治理。

1 工程概況

某國外聯(lián)合循環(huán)燃機發(fā)電項目，建設兩套F級聯(lián)合循環(huán)機組，燃機發(fā)電機功率為450 MW，每臺機組配置1套SFC，隔離變壓器額定容量3 350 kVA，啟動時，最大容量可以達到7 200 kVA，電源來自廠用電6.6 kV母線，配置黑啟動柴油發(fā)電機組5臺，總功率為8 000 kW，作為燃機機組黑啟動電源，燃機機組電氣主接線如圖1所示(其它負荷從略)。

圖1 燃機機組電氣主接線

2 SFC諧波源分析

關于電力系統(tǒng)的諧波電壓、諧波電流限值，在國家標準GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》[1]有明確規(guī)定，各標稱電壓的諧波電壓限值見表1所列，注入連接點各次諧波電流限值見表2所列。

表1 各標稱電壓的諧波電壓限值

表2 注入連接點各次諧波電流限值

當電網(wǎng)公共連接點的最小短路容量不同于表2基準短路容量時，需要按照下式修正諧波電流允許值：

式中：Sk2為基準短路容量，見表2；Sk1為實際最小短路容量，MVA；Ihp為與基準短路容量對應的各次諧波電流限值，A；Ih為與實際最小短路容量對應的各次諧波電流限值，A。

燃機啟動速度曲線如圖2所示。燃機啟動時SFC輸出電流、視在功率、視在容量曲線如圖3所示。SFC運行時各次諧波含量如圖4所示。

圖2 燃機啟動速度曲線

圖3 SFC輸出電流、視在功率、視在容量曲線

圖4 SFC運行時各次諧波含量

本工程配有黑啟動柴油發(fā)電機組，容量為5×1 600 kW，當柴油發(fā)電機組給6.6 kV母線供電時，6.6 kV母線三相短路容量較小，約為75 MVA，各次諧波電流允許值也較小。以5次諧波為例，計算諧波電流允許值：

表3 各次諧波計算值

由黑啟動柴油發(fā)電機組給6.6 kV供電時，SFC負荷電流：根據(jù)圖4顯示的諧波電流占比，計算實際的各次諧波電流。

I'5h=630×20%=126 A，其它各次諧波計算方法類似，計算結果參見表3所列。

3 建立諧波源模型

在電力系統(tǒng)中，電力電子裝置是主要的諧波源，這些裝置工作時，不僅消耗大量的無功功率，而且會給電力系統(tǒng)帶來大量的諧波電流，不同類型的電力電子裝置產(chǎn)生的各次諧波電流大小有差異、從2次諧波到高次諧波均有分布。本項目SFC使用了6脈沖變頻器，根據(jù)設備廠家提供的數(shù)據(jù)，在ETAP建立諧波源模型，變頻器諧波源波形、頻譜圖參如圖5所示。

圖5 變頻器諧波源波形、頻譜圖

在ETAP軟件中運行諧波分析模塊，計算結果如圖6所示 濾波裝置投入前6.6 kV母線電壓畸變率，從圖中可以看出6.6 kV母線電壓畸變率為25.84%，已經(jīng)嚴重超標，必須治理。

圖6 濾波裝置投入前6.6 kV母線電壓畸變率

4 諧波治理

電力系統(tǒng)中存在大量諧波電流可能導致諸多問題如：增加線路損耗、電纜過熱、絕緣老化；電動機效率降低，產(chǎn)生更大的震動和噪音，縮短電動機壽命；增加電力儀表測量誤差；零序諧波可導致中性線電流過大，造成中性線過熱[2]。針對各種諧波，可以采用無源電力濾波器或有源電力濾波器，補償高次諧波電流，達到治理的目的。

無源電力濾波器又稱LC濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除了可以濾除諧波之外，還兼顧無功補償?shù)墓δ?。根?jù)電路的電感、電容元件的數(shù)量和接線型式不同，無源電力濾波器可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等。

如圖7(a)所示，是單調(diào)諧濾波器的電路原理圖，單調(diào)諧濾波器對n次諧波(ωn=nωs)的阻抗：

圖7 單調(diào)諧濾波器

式中：Zfn表示n次單調(diào)諧濾波器阻抗，Ω；ωs為基波角頻率，rad/s。

畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關系曲線，如圖7(b)所示。

單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)LC諧振原理構成的，其諧振次數(shù)：

在諧振點處，Zfn=R，由于R很小，n次諧波電流主要由濾波回路分流，很少流入供電網(wǎng)絡中，而對其它次數(shù)的諧波電流，Zfn＞＞R，濾波回路分流很少。因此，只要通過合理選擇濾波電容器電容值C、濾波電抗器電感L，使其諧振次數(shù)n與需要濾除的諧波次數(shù)保持一致，則該次諧波電流將大部分流入濾波器，則消除了大部分該次諧波電流。

濾波電容器、濾波電抗器的參數(shù)偏差或變化，會導致單調(diào)諧濾波器的諧振頻率發(fā)生變化，導致濾波器失真；電源阻抗變化也會對單調(diào)諧濾波器的濾波效果產(chǎn)生較大影響，甚至會導致電源阻抗與單調(diào)諧濾波裝置發(fā)生并聯(lián)諧振，這是單調(diào)諧濾波器的不足。

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的電力電子裝置，由電力電子元件和DSP等構成的電能變換設備，檢測負載諧波電流并主動提供對應的補償電流，補償后的電源電流幾乎為純正弦波[3]。有源電力濾波器明顯的缺點是價格較貴，并且目前僅有低壓有源電力濾波器，對于中壓系統(tǒng)，則需要增加變壓器，采用低壓高掛的方式接入6.6 kV母線，濾波效果不是很理想。

GB/T 31038—2014《高電壓柴油發(fā)電機組通用技術條件》[4]中規(guī)定，6.6 kV柴油發(fā)電機組輸出的線電壓畸變率不應大于5%，而黑啟動柴油發(fā)電機組供貨商提出的要求較為寬松，要求6.6 kV母線的電壓總諧波畸變率不能超過8%。有源電力濾波器造價較高，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，本項目配置無源電力濾波器作為治理諧波的設備較為合理。

在ETAP軟件中建立模型，并設置了5次、7次、11次和13次單調(diào)諧濾波器，詳細參數(shù)見表4所列。運行ETAP諧波分析程序，計算結果見表5所列和如圖8所示。對比單調(diào)諧濾波投入前后數(shù)據(jù)，可以看出，單調(diào)諧濾波器投入后，各次諧波量均有大幅度降低，母線電壓畸變率降為5.94%，可以說諧波電流得到了大幅度抑制，單調(diào)諧濾波器的抑制諧波效果非常明顯。

表4 單調(diào)諧濾波器參數(shù)表

表5 單調(diào)諧濾波器投入后計算結果

圖8 濾波裝置投入后6.6 kV母線電壓畸變率

在ETAP軟件中截取的6.6 kV母線阻抗頻率特性如圖9所示。從圖中可以看出，對于5次、7次、11次和13次諧波，母線阻抗沒有到零，表示對于這些次諧波，并不會發(fā)生并聯(lián)諧振。這也是配置單調(diào)諧濾波器時需要注意的問題。

圖9 濾波裝置投入后6.6 kV母線阻抗頻率特性圖

每個單調(diào)諧濾波器每相由濾波電容器與濾波電抗器串聯(lián)，三個單相接成Y型組成三相電路，中性點絕緣，含開口電壓檢測，電流檢測保護繼電器。電容器組并接放電線圈，各濾波回路接入避雷器。設置有濾波器自動控制系統(tǒng)，可根據(jù)系統(tǒng)無功需求自動投入退出單調(diào)諧濾波器組。

與5次、7次、11次和13次諧波單調(diào)諧濾波器對應，設置4面6.6 kV濾波器投切柜，每面開關柜內(nèi)安裝一臺C2級真空斷路器，滿足容性電流的開合與分段要求。電容器、電抗器框架式安裝，布置在單獨的房間內(nèi)。

5 結語

燃機機組黑啟動工況，黑啟動柴油發(fā)電機組給6.6 kV母線供電，6.6 kV母線三相短路容量較小，SFC作為諧波源，其運行時會造成燃機機組6.6 kV母線電壓總畸變率嚴重超標，在6.6 kV母線上安裝多組單調(diào)諧濾波器可以大幅度補償諧波電流，起到治理諧波的目的，同時可以補償無功功率，提高功率因數(shù)。

單調(diào)諧濾波器結構簡單、造價低廉，本工程安裝了4組單調(diào)諧濾波器后，母線電壓總畸變率滿足黑啟動柴油發(fā)電機運行要求，并且每次SFC運行時間約240 s，時間很短，所以本工程采用單調(diào)諧濾波器作為諧波治理裝置是非常適用的。