基于電網安全的發電廠空冷機組諧波處理裝置應用

李作棟

(廣西電網公司防城港供電局，廣西 防城港 538001)

1 引言

目前我國對環境保護已經有了很強的意識，但是水資源的危機依然在加劇，因此空冷發電技術就在國內迅速發展。我國北部大部分地區是火力發電為主，但火力發電也是水資源的消耗大戶，這些地區也是我國水資源短缺的地方，相應的他們的電力發展和經濟建設也將受到制約。經過研究表明，采用空冷技術來發電將會有效的緩解水資源的危機。與常規的濕冷技術相比，個別火電廠可以減少到廠用水的85%，其次也可以省去建設冷卻塔的費用。

但由于諧波產生的危害可能會改變繼電器的動作特性，以致引起誤動作，造成繼電保護等裝置工作紊亂。然而保護裝置的誤動作會影響發電廠的空冷島正常運行，空冷島使用了大量變頻器，盡管變頻器進線側串聯了濾波電抗器，但是諧波電流仍然很大，影響保護正常工作。因此提高發電廠空冷組的諧波處理能力顯得尤為主要。

2 諧波在電力安全中的影響

2.1 諧波源

諧波有很多來源，主要有用在交流電機上的交流變頻調速器，在調整輸出頻率的同時按比例調整輸出電壓，從而改變電機轉速，以達到交流調速的目的。由于變頻器采用的電路結構是“整流器—電容/電感器—逆變器”，無論是整流器或是逆變器都有非線性特性，所以它會產生高次諧波。脈寬調制的變頻器的諧波電流含有量會隨負荷變化而變。在較輕負荷時，諧波電流的含有率是比較大的;相反，在較重負荷時，諧波電流的含有率是比較小的。整流設備，由于晶閘管整流在電力機車、充電裝置、開關電源等很多方面得到了較廣的應用，給電網也帶來了大量的諧波。電力變壓器在合閘時的磁通可以高達額定值得2倍以上，產生很高的勵磁電流，因此諧波含油率就隨之升高。總之大約80% 的諧波來自配電系統本身，如:不間斷電源(UPS)、直流電源、整流裝置、充電器、變頻調速器/直流調速裝置、節能燈(熒光燈)、計算機和外圍設備等。大約20%的諧波來自于供電網的其他部分，像電網切換，外部變頻器等大用電器。

圖1 中頻爐電壓電流波形圖

2.2 諧波對電力安全的影響

諧波產生可能會引起系統諧振，電容器組、電抗器組及相關用電設備因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行。電力線中的諧波電流或諧波電壓會產生感應磁場，影響臨近信號線的傳輸品質。諧波電流會將變壓器銅耗和磁滯損耗增加;諧波電流會使電纜導體過載、導致過熱、發生絕緣破壞而燒毀;諧波危害還能改變繼電器的動作特性引起誤動作，造成繼電保護等裝置工作紊亂，然而保護裝置的經常性誤動作。最終影響發電廠的正常運行。如圖1可見負載電壓電流中含有諧波時，中頻爐的電壓電流波形失真。

3 諧波處理裝置

3.1 諧波處理裝置工作原理

諧波處理裝置的選擇不同，相應的工作原理也會相應有些不同。本文的諧波處理裝置中以電源凈化裝置STNA1008來說明。

從功能上來說，電源凈化裝置SNTA1008通過實時監測負載電流波形，檢測出其中的諧波電流，通過控制IGBT的觸發，將與該諧波電流大小相等方向相反的補償電流注入供電系統中，實現濾除諧波的功能，從而達到提高供電系統的安全性、節能降耗的目的。其功能原理圖2所示。

圖2 電源凈化裝置SNTA1008功能原理圖

電源安全凈化裝置內部控制原理:斷路器合閘后，電源安全凈化裝置首先通過預充電電阻對直流母線的電容器充電，即為防止上電后對直流母線電容器的瞬間沖擊，8s后，當母線電壓Vdc達到額定值后，主接觸器閉合。直流電容為儲能元件，為通過IGBT逆變器和內部電抗器向外輸出補償電流提供能量。同時，直流電容器通過電源交換板向內部檢測與控制板提供工作電源。S N T A 1 0 0 8系列電源安全凈化裝置通過外部C T采集電流信號送至諧波檢測模塊，該模塊將基波與諧波分離，將諧波成分送至檢測模塊，該模塊將采集到的負載諧波成分和電源安全凈化裝置輸出補償電流比較，得到的差值作為實時補償信號輸出到驅動電路，由電源安全凈化裝置將補償電流注入到電網中，實現濾除諧波功能，原理結構圖如圖3所示。

圖3 電源凈化裝置SNTA1008內部控制結構圖

3.2 諧波處理裝置的應用

在諧波處理裝置應用時要有三個方面考慮:

一是諧波處理裝置的容量，即根據需要補償負荷的諧波次數及容量確定有源電力濾波器的容量。二是濾波器接入點的問題，即根據補償效果及就地補償原則確定有源電力濾波器接入點。三是電路結構設計，即根據接入點電壓及負荷結構確定有源電力濾波器電壓等級及電路。

本文中以SNTA1008為例進行說明，首先容量設計，SNTA1008電源安全凈化裝置的容量可以根據如下公式統計:

式中:Ih是第h次諧波電流(方均根值)，比計算值大于20%，根據測試結果設計容量。

SNTA1008設備接入點設計:集中式濾波適用于當非線性負載數量多，單臺非線性負載容量較小的場合，如圖4所示。

相應的分散濾波適用于非線性負載集中在某幾條支路或某單臺負載容量較大的場合，如圖5所示。

圖4 集中式濾波電路接入點設計

圖5 分散式濾波電路接入點設計

4 發電廠空冷機組諧波治理

由于諧波產生的危害可能會改變繼電器的動作特性，以致引起誤動作，造成繼電保護等裝置工作紊亂。然而保護裝置的誤動作會影響發電廠的空冷島正常運行，空冷島使用了大量變頻器，盡管變頻器進線側串聯了濾波電抗器，但是諧波電流仍然很大，影響保護正常工作。因此文中采用SNTA1008電源凈化裝置來處理發電廠空冷機組的諧波，治理效果圖如圖6所示。

從治理效果中可以看出治理后畸變率降至3.3%，諧波電流大幅度降低，保護裝置誤動作明顯減少，設備正常工作。

5 結語

大型空冷機組是確保我國富煤貧水地區電力工業發展的有效途徑，已成為我國大型火力發電機組的主要方向之一。針對采用大型空冷機組出現的諧波危害電網的安全運行，文中采用SNTA1008裝置為例進行了有效濾波，從結果看出，該裝置能夠有效地降低諧波電流，使繼電保護裝置誤動作減少，進而降低諧波對電網安全的危害。隨著電力電子技術的發展實踐，大容量、高電壓的電源安全凈化裝置不僅在空冷發電機組中有一定的應用，而且在以后汽車充電站的諧波處理，大型樓宇的諧波處理都會有一定實際意義。

圖6 安全凈化裝置處理效果圖

［1］張婷.變頻器在火力發電廠直接空冷系統中的應用［D］.華北電力大學，2013.

［2］溫厚林，王星，徐臘元.諧波在電力安全中的影響［J］.電氣應用，2007.

［3］王偉，楊仁剛.諧波治理案例分析和單調諧濾波器的偏諧設計［C］.//2010年學術年會論文摘要.中國農業工程學會電氣信息與自動化專業委員會、中國電機工程學會農村電氣化分會科技與教育專委會，2010.

［4］師迎新，胡坤，陳文波.基于電網安全的火電廠輔機低電壓穿越裝置應用［J］.河南電力，2013.