蓄能電站SFC啟動諧波產生原因

周艷青

(廣東省電力設計研究院,廣州 510663)

蓄能電站SFC啟動諧波產生原因

周艷青

(廣東省電力設計研究院,廣州 510663)

對抽水蓄能電站廠用電接線方式進行了介紹,對在SFC起動時產生的諧波對電站廠用電系統的影響進行了分析,對廠用電系統作了諧波普查以及對其進行了定性和定量分析,提出了解決方案。

SFC啟動;諧波分析;抽水蓄能電站;廠用電

1 前言

隨著電力電子變頻的技術的迅速發展,抽水蓄能電站一般采用靜止變頻裝置 (Static Frequency Converter,SFC)起動方案,具有速度快、可靠性高、維護工作量少、對系統影響小等優越性,但SFC作為電力電子變頻系統,具有非線性系統的特性,在投入運行時會在電網中產生諧波,對電網造成較大的污染。蓄能電站上庫為范家田水庫,正常蓄水位762m,死水位740 m,有效庫容2739.7萬m3。下庫為礤頭水庫,正常蓄水位231m,死水位205m,有效庫容2766.6萬m3,具有周調節能力。平均毛水頭534m,輸水道總長4454m,L/H=8.3。單機容量300 MW,總裝機容量2400 MW,A、B廠各布置四臺機組,四機共用一套 SFC起動裝置,每套 SFC容量23.5MVA,約為單機容量的7%。經廠用電倒換后,所有400 V廠用電均由#1主變供電,即SFC進線側電源與SFC輔助電源均取自同一主變側。

2 事件經過

廠用電倒換后試啟動SFC拖動#2機組過程中,出現報警,SFC啟動失敗。初步分析原因為：由于SFC進線側電源與SFC輔助電源均取自同一主變側,在啟動過程中SFC產生的諧波直接影響到其輔助電源,因此SFC交流電源電壓監視繼電器FV375由于電壓畸變失磁,發出報警。將SFC交流電源監視繼電器-FV375用作報警和跳閘的輔助接點短接,即繼電器-FV375的21和24、-X05端子的75和76。重新啟動SFC拖動#2機組成功,同時現場觀測電壓繼電器FV375在啟動過程中頻繁動作。

同時,#2機組泵工況啟動失敗。當機組轉速達到30%左右時,勵磁系統出現二級故障跳機。分析原因為：由于SFC啟動過程中由于諧波影響使400 V廠用電電壓畸變 (諧波含量9.3%),勵磁冷卻風扇電源電壓繼電器K94未能正常勵磁,可控硅橋冷卻風扇未能正常啟動,2：24：26時可控硅橋U22溫度高,可控硅橋U22故障,切換至U21,2：24：31時,繼電器K65,K66勵磁,報2BR cooling fault故障,可控硅橋U21溫度保護動作,Thyristor Bridge Nr 1fault故障,導致勵磁二級故障跳閘。同時,受廠用電電壓畸變影響,#2,#4空壓機跳閘,#2主變冷卻器退出運行。

3 諧波分析

故障發生后,在18 kV、10 kV以及400 V側錄取電壓波形進行諧波分析,對于SFC這種橋式整流裝置,從理論上它只產生特征諧波。即在整流橋的電源側產生的諧波次數為：

圖1 十二脈沖SFC變頻裝置拓撲結構圖

h=kp±1

式中 h——特征諧波次數;

p——整流橋脈動數,對于 SFC一般為 6或12;

k——整數1,2,3,…。

實際上,由于整流元件導通不一致、相電壓不平衡以及其它原因,整流裝置還會產生非特征諧波,但一般數值比較小。

惠州抽水蓄能電站SFC變頻起動裝置采用12脈沖整流,其整流部分采用兩個三相全控整流電路串聯組成,共有12個橋臂,各臂開通時刻的間隔為1/2基波周期。每個橋的直流電壓都是6脈動的,由于兩者的三相交流電壓相差30°,串聯之后所得到的直流電壓是12脈動的。如圖1所示。由h=kp±1,p=12可知,SFC變頻起動裝置產生的特征諧波主要為11、13、23、25次諧波,從上表可知,SFC啟動時11、13、23、25次諧波含量較高,與理論定性分析相符。

1)基本參數,取歸算基準容量Sb=100 MVA。

系統最小運行方式時,電廠500 kV系統短路電抗Xs*=0.00288和短路容量Sk=Sb/Xs*=100/ 0.00288=34722.2MVA。

主變：ST=360 MVA,短路阻抗Uk%=14.5%,

歸算電抗XT*=0.145*Sb/ST=0.145*100/ 360=0.040 28

SFC容量：SSFC=23.5MVA。

電抗器：UN=18 kV,IN=1250 kA,XR=6%

2)SFC與廠用變共用連接點的電壓總畸變率：

接線圖及等效電路如圖3所示,PCC1點對系統的短路電抗：

X∑=Xs*+XT*+XR*=0.00288+0.040 28+ 0.153 96=0.197 12

從其中可見,在回路中電抗器的電抗起主導作用,而系統的電抗占較小的比例。

PCC1對系統的短路容量 Sk=Sb/X∑=100/ 0.197 12=507.3 MVA

PCC1處的電壓總畸變率THDU=HF*SSFC/Sk=1.93*23.5/507.3=8.94%

圖2 廠用電接線及等效電路示意圖

對抽水蓄能電站18 kV、10 kV以及400 V側實測可知,第11,13,23,25次諧波含量較高,諧波含量、奇次諧波含量均不滿足合同要求。

需指出的是,在諧波錄取時的幾次 SFC啟動,均為正常啟動,在整個啟動過程中僅存在400 V系統電壓繼電器頻繁動作的情況,未伴隨出現空壓機、輔機、勵磁等故障信息。也就是說,在SFC啟動失敗的幾次故障中,諧波含量可能更高。SFC啟動過程中諧波含量的高低以及波形畸變的程度可能與可控硅的觸發角度有關。

4 解決方案

在抽水蓄能電站中,主要的諧波源為SFC裝置,SFC裝置所產生的諧波將影響到抽水蓄能電站其他電氣設備,通過主變壓器傳遞到高壓側,影響高壓側下其他用戶的正常運行;通過廠用變傳遞到低壓側,引起廠用電系統電壓畸變,影響輔機系統的正常運行。提出了三種解決方案。

4.1 加裝隔離變壓器和濾波器

在惠州抽水蓄能電站進出線端都裝有輸入輸出變壓器,對整個變頻裝置具有一定的隔離作用,已經慮除了具有零序特性的3次及高次諧波的影響。針對不同次數的高次諧波,需安裝不同的濾波器,不僅增加了設備成本,而且需要占用較大的空間,另外,濾波器是由電容和電感組成,操作不當會發生過電壓,電容器也會發生漏電等故障,應而降低了運行的可靠性。考慮到目前SFC一次側設備均已成型,加裝隔離變等一次設備的可能性較小。

4.2 更改廠用電的供電方式

SFC的進線電源與#1廠高變電源分開。即當SFC進線電源由#1主變供電時,#1廠高變由#3主變供電,當SFC進線電源切換至#3主變供電時,#1廠高變由#1主變供電。SFC進線電源供電開關選擇在泵工況啟動LCU中實現。當#1或#3主變中有一臺主變退出運行時,所有廠用電由#2廠高變供電。

4.3 從接線設計上減少諧波污染

電壓總畸變率的控制,關鍵是SFC在站內的公共連接點PCC1,在系統為最小運行方式下,且電廠內無機組運行的情況下,求出PCC1點的最小短路容量Sk(MVA);從廠家處得到電廠的SFC容量SSFC(MVA),若無廠家數據時,可按發電電動機容量的6%～8%估算。惠蓄廠用電接線示意圖如圖3(a)所示,PCC1在公共限流電抗器之后,即SFC與廠用變壓器匯合后,經限流電抗器接于主變低壓側。從直觀上也可以看出, SFC所產生的諧波電壓都受限流電抗器所阻擋而反應到廠用變的電源側,并傳遞到廠用電負荷上。如果采用圖3(b)的接線方式,PCC1在機端,但SFC與高壓廠用變壓器分別經限流電抗器匯合,SFC產生的諧波電壓經兩級電抗器降落才傳遞到廠用變,所以諧波對廠用電影響較小。

圖3 廠用電接線示意圖

5 結束語

由于大功率變頻技術迅速發展,使得蓄能電站采用變頻啟動方式,無論在可靠性、經濟性和維護性等方面都是其它啟動方式所難以比擬的,因而變頻啟動得到廣泛采用,我國近年建設的蓄能電站都采用了這種啟動方式。變頻啟動過程的諧波考核就是其中的一個方面,變頻啟動裝置的容量比電站內其它非線性負荷大得多,可以把它看成是站內惟一的諧波源。在抽水蓄能電站連入超高壓電網的路徑中,再沒有其它可以與SFC容量相比擬的諧波負荷,因此在SFC與電站對側超高壓母線之間,其它非線性負荷可以略去不計,也就是說在電站與系統連接范圍內,SFC也是惟一的諧波源。既要保證0.38 kV用戶的電壓畸變不超標,又要確保流入電網的諧波電流不大于允許值,這些將是限制蓄能電站SFC對電力用戶污染的基本要求。

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Analysis of Harmonic in Static Frequency Converter System in Huizhou Pumped Storage Power Station

ZHOU Yanqing
(Guangdong Electric Power Design Institute,Guangzhou 510663)

This paper introduces service power supply of Huizhou pumped storage power station generally,analyzes effect of harmonic wave generated by SFC system,general surveys harmonic wave in service power supply,and finally recommends a solution based on quantitative and qualitative analysis.

SFC;harmonic analysis;pumped storage power station;service power supply

TM62

B

1006-7345(2014)03-099-03

2013-12-06

周艷青 (1982),男,碩士,工程師,廣東省電力設計研究院,主要從事電站電氣一次設計 (e-mail)zhouyanqing@gedi.com.cn。