惠州抽水蓄能電站變頻起動諧波分析

周艷青

（廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

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。

1 惠州抽水蓄能電站廠用電接線方式

惠州抽水蓄能電站位于廣東省惠州市博羅縣境內，直線距廣州112km。上庫為范家田水庫，正常蓄水位762m，死水位740m，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300MW，總裝機容量2400MW，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%。

電站廠用電正常工作方式為：由#1，#2 廠高變分別向10kV 的公用A，B 段母線供電，而#1，#2廠高變電源分別取自#1，#2 主變低壓側。SFC 進線電源取自#1 主變低壓側。即SFC 電源和10kV 公用A 段以及與此連接的400V 配電系統均由#1 主變供電。此部分的400V 配電系統包括：400V 主Ι 主ΙΙ配電盤Ι 段、500kV 開關站配電盤、照明盤、#1 至#4 機組動力盤Ι 段進線、空壓機配電盤直流配電盤及主變配電盤ΙΙ 段等。SFC 進線電源取自#1 主變低壓側，SFC 輔助電源(400V)取自主變配電盤60LKA001TB 的Ι 段母線，而60LKA001TB 的Ι 段母線取自400V 盤柜10LKA001TB 的ΙΙ 段母線，正常方式時輔助電源與SFC 進線電源不是取自同一主變。如圖1所示。

由于受東莞Ι、ΙΙ 出線施工影響，廠用電需向象山站反送電，2009年6月13日進行了廠用電倒換。經廠用電倒換后，我廠所有400V 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 SFC 起動時諧波對廠用電系統的影響

2.1 事件經過

2009年6月13日22：45，在廠用電倒換后試起動SFC 拖動#2 機組過程中，出現“Power supply fault”報警，接著SFC 系統內部發出“electrical stop”命令，SFC 起動失敗。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，在起動過程中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“Power supply fault”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。重新起動SFC 拖動#2 機組成功，同時現場觀測電壓繼電器FV375 在起動過程中頻繁動作。

2009年6月19日02:24 #2 機組泵工況起動失敗。當機組轉速達到30%左右時，勵磁系統出現二級故障跳機。檢查event log 及現地故障信息，分析原因為：由于SFC 起動過程中由于諧波影響使400V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起動，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2 BR cooling fault 故障，可控硅橋U21 溫度保護動作，Thyristor Bridge Nr 1 fault 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。

2.2 對廠用電系統進行諧波普查及分析

故障發生后，電氣人員在18kV、10kV 以及400V側錄取電壓波形進行諧波分析，分別統計見表1。

圖1 惠州抽水蓄能電站廠用電接線示意圖

表1 18kV、10kV 以及400V 側電壓波形諧波分析

圖2 十二脈沖SFC 變頻裝置拓撲結構圖

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

式中，h為特征諧波次數；p為整流橋脈動數，對于SFC 一般為6 或12；k為整數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他原因，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2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 起動時11、13、23、25 次諧波含量較高，與理論定性分析相符。

定量分析：

1）基本參數，取歸算基準容量Sb=100MVA。

系統最小運行方式時，電廠500kV 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=360MVA，短路阻抗Uk%=14.5%，

歸算電抗XT*=0.145×Sb/ST=0.145×100/360=0.04028

SFC 容量：SSFC=23.5MVA。

電抗器：UN=18kV，IN=1250kA，XR=6%

歸算電抗：

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：

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

PCC1 處的電壓總畸變率

圖3 廠用電接線及等效電路示意圖

對惠州抽水蓄能電站18kV、10kV 以及400V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。（合同規定：18kV 電壓正弦波形畸變率＜4%，奇次諧波電壓含量＜3.2%，偶次諧波電壓含量＜1.6%）。

國家標準對各級電網的電壓總諧波畸變率（THDu）給出的限值見表2。

表2 國標GB/T14549 對公用電網諧波電壓限值（相電壓）

另外需指出的是，在諧波錄取時的幾次SFC 起動，均為正常起動，在整個起動過程中僅存在400V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 起動失敗的幾次故障中，諧波含量可能更高。SFC 起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。

2.3 針對SFC 變頻裝置諧波污染提出解決方案

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。

針對惠州抽水蓄能電站出現的實際情況，提出了三種解決方案。

1）在SFC 變頻裝置進出線端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。

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起動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。

3）從接線設計上減少諧波對廠用電的污染

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4（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4（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4 廠用電接線示意圖

3 結論

由于大功率變頻技術迅速發展，使得蓄能電站采用變頻起動方式，無論在可靠性、經濟性和維護性等方面都是其他起動方式所難以比擬的，因而變頻起動得到廣泛采用，我國近年建設的蓄能電站都采用了這種起動方式。變頻起動過程的諧波考核就是其中的一個方面，變頻起動裝置的容量比電站內其他非線性負荷大得多，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，再沒有其他可以與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，其他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0.38kV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。前者是保護電廠內的用電設備，后者是保護系統的用戶。因此從概念上、諧波限制控制點和限制指標上以及接線優化等方面做些工作，提出一些指導性或參考性的意見是很有意義的。

[1] 陸佑楣，潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京:水利電力出版社，1992.

[2] 宿清華,吳國忠,楊成林,楊建軍,徐德鴻.抽水蓄能電站變頻起動裝置的諧波抑制探討[J].浙江大學學報(工學版),2002(11).

[3] GEC ALSTHOM.STATΙC FREQUENCY CONVERTER USER’S DOCUMENT.1989.