SFC濾波器諧振分析和處理

摘 要:目的:通過分析和處理深圳東部電廠SFC無源濾波器諧振問題，指出濾波器在設計時必須避免諧振和保證濾波效果。方法:比較分析計算兩個LNG電廠的SFC濾波器和系統的諧振頻率及其運行波形。結果:深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率非常接近濾波頻率，容易發生諧振，經改造后正常投入運行。

關鍵詞:諧波SFC諧振

中圖分類號:TN77文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(a)-0079-03

Abstract Objective: Expatiating and deal the resonance of the SFC filter in Shenzhen Dongbu Power Plant. Method: Compare、analyze and calculate the resonance frequency and the wave inrunning. Result: It is easy to produce resonance because that the resonance frequency between the SFC filter and the power system in the Shenzhen Dongbu Power Plant is near to the resonance frequency of the SFC filter.

Key words: harmonic，SFC，resonance

引言

在廣東省“十一五”期間，三個天然氣發電廠分別引進了3套日本三菱重工/東方集團制造的M701F型單軸燃氣蒸汽聯合循環機組，其啟動過程均是通過SFC拖動同步電動機(發電機)啟動。SFC設計有5、7次無源諧波濾波器，其中兩個廠的濾波器均能正常投入運行，而另一個廠的濾波器則由于諧振一直不能投入運行。

1 SFC的結構組成及其工作原理

SFC系統由諧波濾波器、變壓器、6脈整流器、平波電抗器、逆變器、轉子位置傳感器、控制系統以及轉子電流控制組成。SFC工作原理:將發電機作為同步電動機運行，整流器將三相交流電壓變成電壓幅值可變的直流電，逆變器按照特定的觸發順序向發電機輸入頻率可調的交流電，拖動整套軸系由盤車轉速3r/min起升速，達到轉速500r/min燃機點火，機組在燃機產生的熱能和SFC的共同拖動下做功，轉速不斷上升，當達到2000r/min時，SFC斷電退出，發電機退出電動機運行狀態，燃機再繼續升速直至達到3000r/min，發電機并網發電。在SFC運行期間，產生大量的5、7次諧波，因此需要設計濾波器濾除這些諧波，設計5、7次無源諧波濾波器接在SFC變壓器的6kV側。

2 天然氣電廠發電機SFC的主接線圖

深圳東部天然氣電廠的發電機SFC主接線圖見圖1，其它兩個天然氣電廠(深圳前灣電廠、惠州LNG電廠)和東部電廠的基本一致，唯一區別是高壓廠用變壓器的參數不一樣，深圳東部高壓廠用變壓器:容量:20MVA，短路阻抗:8.14%，變比:20kV/6.3kV，組別:Dd0;惠州LNG電廠和深圳前灣電廠的高壓廠用變壓器:容量:16MVA;短路阻抗:8%;變比:20kV/6.3kV;組別:Dy1。變壓器容量、組別、短路阻抗的差別會導致其每相阻抗的差別。三個廠的SFC無源濾波器的5、7次濾波器的電容電感參數、廠家均一樣，參數為:5次濾波器:串聯電感:3.99mH每相;電容:104.6μF每相，額定電壓4.16kV，容量1800kvar;7次濾波器:串聯電感:2.99mH每相;電容:69.9μF每相，額定電壓4.16kV，容量1200kvar。

3投入和不投入SFC濾波器的6kV電壓波形

(1)深圳東部電廠SFC啟動時的6kV廠用電母線電壓波形(SFC濾波器由于諧振而不能投入運行)和諧波含量見圖2，其6kV母線電壓的總諧波畸變率大于4%、偶次諧波畸變率大于2%、奇次諧波畸變率大于3%，均超出國家標準GB/T14549-1993《電能質量—公用電網諧波》總諧波畸變率不大于4%、偶次畸變率不大于1.6%、奇次不大于3.2%的要求。

(2)惠州LNG電廠SFC啟動時的6kV廠用電母線電壓波形(SFC濾波器一直投入運行)和諧波含量見圖3，其6kV母線電壓的總諧波畸變率、偶次諧波畸變率、奇次諧波畸變率均小于1%，滿足國家標準GB/T14549-1993《電能質量—公用電網諧波》的要求。

深圳東部電廠的SFC 5、7次無源濾波器在試運期間曾嘗試投入運行，但是當SFC把發電機拖到300r/min左右，5、7次無源濾波器均因為過流保護動作跳閘，聯跳SFC，期間5、7次無源濾波器柜內有很大的振動和噪聲，當時用電量分析儀分別錄取了5、7次無源濾波器輸入電流波形，5次、7次諧波電流含量均大于100%，為電流放大諧振(并聯諧振)。

4 SFC濾波器和系統諧振頻率計算[1]

SFC拖動發電機啟動時，發電機出口開關是處于斷開狀態，SFC濾波器和高壓廠用變壓器、主變壓器、電網系統組成并聯電路，因為主變壓器、電網系統容量遠大于高壓廠用變壓器的容量，其短路阻抗遠小于高壓廠用變壓器的短路阻抗，所以可以把SFC濾波器和高壓廠用變壓器組成并聯電路進行SFC濾波器和系統諧振頻率計算，其計算原理圖和諧振頻率計算公式如圖4、圖5。其中Ls是高壓廠用變壓器的每相電感，rs是高壓廠用變壓器每相電阻，由于高壓廠用變壓器的每相電阻值遠小于其每相的電抗值，因此可以忽略，L、C是各次濾波器的每相電感和電容。諧振頻率計算公式為:

深圳東部電廠高壓廠用變壓器電感計算:U×U×Ud/SN/314×1000=6.3×6.3×0.0814/20/314×1000=0.514mH(其中U是高壓廠用變壓器的高壓側額定電壓，Ud是其短路阻抗，SN是其額定容量)，由于深圳東部電廠的高壓廠用變壓器低壓側是三角形接法，濾波器是星型接法，因此高壓廠用變壓器低壓側三角形轉換到星型接法的每相電感為0.514/3=0.171 mH。同樣可以計算得惠州LNG電廠高壓廠用變壓器的每相電感為0.632mH。

諧振頻率計算:

(1)5次濾波器:

濾波器的諧振頻率246.5Hz;

深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率:241.4Hz;同樣可以計算得惠州LNG電廠的為229Hz。

(2)7次濾波器:

濾波器的諧振頻率:348.3Hz;

深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率:=338.7Hz;同樣可以計算得惠州LNG電廠的為316.5Hz。

5 更換濾波器電容器、電感器的運行情況

深圳東部電廠的SFC無源濾波器的5、7次濾波器的重新選配的電容電感參數為:5次濾波器:串聯電感:5mH每相;電容:89.6μF每相，額定電壓4.91kV，容量2000kVar;7次濾波器:串聯電感:5mH每相;電容:44.7μF每相，額定電壓4.91kV，容量1000kvar。在SFC運行的整個過程中的平均總畸變率在3%左右，符合國家標準，但是和惠州LNG電廠的6kV電壓波形比較，深圳東部電廠的新SFC無源濾波器的濾波效果不是很理想。

6 如何避免諧振和提高濾波效果

GB/T14549的基本思想是讓諧波電流盡可能少流入系統，盡可能多流入濾波器，根據圖7，就是設法讓濾波器的諧波阻抗盡可能比系統的諧波阻抗小。下面對各支路諧波阻抗和流入各分支的諧波電流進行分析:

(1)深圳東部電廠

①5次諧波，見表1。

在表1中，Z5S:系統5次諧波阻抗(2×3.14×250×LS);ZF5:濾波器5次支路的5次諧波阻抗;I5:SFC產生的5次諧波電流;I5S:流入系統的5次諧波電流;IF5:流入濾波器5次支路的5次諧波電流。

②七次諧波，見表2。

在表2中，Z7S:系統7次諧波阻抗(2×3.14×350×LS);ZF7:濾波器7次支路的7次諧波阻抗;I7:SFC產生的7次諧波電流;I7S:流入系統的7次諧波電流;IF7:流入濾波器7次支路的7次諧波電流。

(2)惠州LNG電廠，見表3。

(3)比較可知，由于深圳東部電廠的高壓廠用變壓器的諧波阻抗很小，導致流入系統的諧波電流偏大，容易發生諧振，改造時為了避免諧振，把濾波器的濾波頻率偏離250Hz、350Hz大一點，卻導致濾波效果不佳。若要既能避免諧振又能提高濾波效果，則可以考慮以下辦法:方法一，把濾波器接在SFC變壓器的3.8kV側(其每相電感量為0.711MH)，既可以很好避免諧振又大大提高濾波效果，但是該變更由于涉及高壓電纜溝道的改造和濾波器容量的擴容，難度大;方法二，電感采用空心電抗器，要求設計濾波支路的諧波阻抗要遠小于系統的諧波阻抗，但是空心電抗器占用空間大。

7 結束語

在設計濾波器時，必須避免諧振，同時濾波效果要求達到國家標準。若變壓器低壓側需要配置濾波器時，那么該變壓器在設計選型時就需要選擇好接線組別和容量大小，盡量避免和濾波器的諧振，并且盡量阻隔諧波電流流進系統。

參考文獻

[1]鋼鐵企業電力設計手冊(上冊)[M]，北京:高等教育出版社，1996，429.