發電廠廠用電系統中電子開關型諧波源分析

李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發電廠廠用電系統中電子開關型諧波源分析

李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發電廠廠用電系統中越來越多采用電子開關型設備，不可避免的引入諧波污染。綜合考慮發電廠中4種電子開關型諧波源，分別對其進行了理論研究與仿真分析，并通過對某發電廠6 kV廠用電母線進行整體仿真分析諧波源對母線的影響。結果表明，一般情況下廠用電諧波源由于容量較小且多具備自身濾波措施，不會對母線產生較大影響。實際測量結果驗證了理論與仿真的正確性。

廠用電系統；電子開關型諧波源；仿真；諧波污染

0 引言

在發電廠廠用電系統中，主要存在2種類型的諧波源：鐵磁飽和型與電子開關型［1］。鐵磁飽和型諧波源主要包括各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其由于存在鐵芯飽和現象而具有非線性。電子開關型諧波源主要為各種電力電子開關型設備，其通過脈沖間斷的方式從電力系統中吸收電流，呈現非線性。

目前發電廠廠用電系統中越來越多使用電子開關型設備，會產生大量諧波污染［2-3］，諧波可能造成損耗增加、保護誤動作和計量儀器不準確［4-8］。諧波是電能質量標準的一項重要指標，對電廠發電機出口以及廠用母線的諧波分量進行監測與治理非常必要。目前已有部分針對發電廠廠用電系統諧波污染的研究，如文獻［9-14］都是針對發電廠廠用電系統中的諧波的分析與抑制，但這些研究或是只針對某單一諧波源進行分析，或是只做概述型定性分析而未進行具體研究。

本文綜合考慮發電廠廠用電系統中多類主要的電子開關型諧波源，針對每類諧波源進行具體理論與仿真分析，可作為發電廠出具具體諧波治理方案、投運新設備前進行電能質量評估等工作的理論依據，具有較好的參考價值。

1 發電廠電子開關型諧波源分析

發電廠廠用電系統中的電子開關型諧波源一般主要包括如下幾類：高壓變頻器、低壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源（UPS）。下面對以上4類諧波源進行簡要介紹與分析。

1.1 高壓變頻器

發電廠中的高壓變頻器主要用于電機變頻調速，某6 kV高壓變頻調速系統結構如圖1所示。

圖1中所示A，B，C 3相高壓變頻裝置共有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相。輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為3組。根據電壓等級和單元串聯級數，一般由24，30，36，48，54脈沖系列等構成多級移相疊加的整流方式，通過電流多重化技術減少對電網反饋的諧波，可以大大改善網側的電流波形，減小對電網的諧波污染。

1.2 低壓變頻器

低壓變頻器電壓等級一般在1 kV以下，某帶有進線濾波器的400V低壓變頻器結構如圖2所示。

圖2中所示的400 V低壓變頻器的輸入側是6脈動的三相整流橋，低壓變頻器對電網有很高的諧波噪聲影響，線電流中含諧波次數為n×6±1，其中n為1，2，3等整數。總諧波電流畸變率（THD）為30%～45%，可以通過安裝濾波器或12脈動的方式來減小諧波含量，最小諧波電流含量可以達到10%。圖2中低壓變頻器由于增加了網側進線濾波器，輸入側的諧波得以濾除，但在運行時，也會通過輸出側向電網注入一定數量的諧波電流。低壓變頻器一般是對系統注入諧波的電流的主要因素。

1.3 等離子點火器

等離子發生器電源系統由隔離變壓器和電源柜2大部分組成。電源柜內主要有由6組大功率晶閘管組成的三相全控整流器、大功率直流調速器、直流電抗器、交流接觸器、可編程邏輯控制器等。

圖1 高壓變頻調速系統結構

圖2 某低壓變頻器結構

等離子點火器整流器拓撲結構如圖3所示，其中V1～V6共6個晶閘管接成三相全控整流橋。三相橋式全控整流電路為三相半波共陰極組與共陽極組的串聯，因此整流電路在任何時刻都必須有2個晶閘管導通，才能形成導電回路，其中1個晶閘管是共陰極的，另1個晶閘管是共陽極的，所以必須對2組中要導通的1對晶閘管同時給觸發脈沖。整流器采用雙脈沖觸發方式，即在觸發某＃1晶閘管的同時給前＃1晶閘管補發一個脈沖，相當于用2個窄脈沖等效替代大于60°的寬脈沖。

1.4 不間斷電源（UPS）

UPS主要由逆變器、蓄電池、整流器/充電器和轉換開關等組成。此類設備采用三相橋式二極管整流結構，經直流穩壓環節后，再進行PWM逆變。某100 kV·A不間斷電源的整流器拓撲結構如圖4所示。

圖3 等離子點火器整流器拓撲結構

圖4 UPS整流器拓撲結構

圖4所示的結構由2組首端連接移相變壓器的6脈沖整流器構成，其直流母線電流由12個可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流器。2個整流橋產生的5次、7次、17次、19次等諧波相互抵消，注入電網的只有12 k±1（k為正整數）次諧波，即11，13，23，25等各次諧波，且其有效值與諧波次數成反比，與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

2 發電廠電子開關型諧波源仿真

2.1 高壓變頻器仿真分析

圖1中高壓變頻裝置輸出的最大頻率變化范圍為0.5～120 Hz，實際運行時的頻率調節范圍為45～55Hz，電機機端電壓變化范圍為5.4～6.0 kV。根據高壓變頻器的結構和參數，在仿真軟件PSCAD 4.2中搭建高壓變頻器的仿真模型，通過仿真來分析高壓變頻器對網側電能質量的影響，仿真結果如圖5～6所示。

圖5 高壓變頻器進線電流仿真波形

圖6 高壓變頻器進線電流諧波百分比

圖5為高壓變頻器的A相進線電流仿真波形，其波形接近正弦但有明顯高頻諧波。高壓變頻器采用多級移相疊加的整流方式，不僅解決了器件的耐壓問題，還通過對每個單元的PWM波形進行重組，該電流多重化技術減少了對電網反饋的諧波，減小了對電網的諧波污染。

圖6為高壓變頻器A相進線電流諧波百分比，圖中所示信息反映出高壓變頻器電流的總體諧波含量較小，幅值相對較大的諧波出現在6 k±1（k為正整數）次。這是由于高壓變頻器的前端采用了多繞組的移相變壓器，使得各個單元的輸入側的不控整流注入的諧波電流相互疊加，從而抵消了輸入側的某些頻次電流諧波。

2.2 低壓變頻器仿真分析

對圖2中的400 V低壓變頻器進行仿真分析，根據其結構與參數在仿真軟件PSCAD 4.2中搭建加入進線濾波器的低壓變頻器仿真模型。仿真模型電壓為400V，滿載電流為1 200A，整流器采用三相橋式二極管整流結構，仿真結果如圖7～8所示。

圖7 低壓變頻器進線電流仿真波形

圖8 低壓變頻器進線電流諧波百分比

圖7為400V低壓變頻器的A相進線電流仿真波形，可見實際電流波形與正弦波形有一定差別，諧波含量較低。在輸出滿載運行的情況下，輸入側的諧波電流也相應增大。

圖8為400V低壓變頻器A相進線電流諧波百分比，根據圖中反映出的信息可知，400 V低壓變頻器的各頻次電流諧波中，幅值最大的5次諧波約為基波幅值的5%。雖然低壓變頻器未采取多重化、多電平化等技術，但由于增加了進線濾波器，仍將電流諧波含量限制在了較低限度內。

2.3 等離子點火器仿真分析

根據圖3所示的結構在PSCAD 4.2中搭建等離子點火器的整流柜模型，具體參數如下：輸入電壓，400V；滿載輸入電流，332 A；頻率范圍，45～65 Hz；最大直流輸出電壓，485 V；滿載直流輸出電流，400A。仿真結果如圖9～10所示。

圖9 等離子點火器進線電流仿真波形

圖10 等離子點火器進線電流諧波百分比

圖9為等離子點火器A相進線電流仿真波形，可見其波形與低壓變頻器的電流波形類似，與正弦波形差別很大，諧波含量高。圖10為等離子點火器A相進線電流諧波含量百分比，產生諧波電流的次數為6 k±1（k為正整數）次，其中幅值最大的諧波為5次諧波，其幅值約為基波幅值的70%，另外也會產生7，11等次的諧波電流。但由于等離子點火器電壓較低，容量較小，所以對高壓母線影響不是很大。

2.4 不間斷電源（UPS）仿真分析

根據圖4中的12脈波整流器結構與參數在PSCAD 4.2中搭建UPS整流器模型，其工作電壓為220 V，滿載電流為250 A，仿真結果如圖11～12所示。

圖11 UPS進線電流仿真波形

圖12 UPS進線電流諧波百分比

圖11為UPS的A相進線電流波形，其波形接近正弦。圖12為UPSA相進線電流諧波含量百分比，產生諧波電流的次數為12 k±1（k為正整數）次，這是因為12脈波整流器是采用2組6脈波整流器疊加，降低了電流諧波含量。

3 實例分析

本節選擇某火電廠6 kV廠用電母線作為研究實例進行分析，該母線由單臺主變供電，接入變壓器數量為2臺，參數為50/31.5/31.5MV·A和27/6.3-6.3 kV，母線所連設備包括高壓水泵、高壓風機、高壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源、低壓變頻器等，其中高壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源、低壓變頻器屬于電子開關型諧波源。

3.1 母線整體仿真分析

在PSCAD 4.2中搭建仿真模型，6 kV廠用電母線負載為20MV·A，將所有電子開關型諧波源滿載加入母線，仿真結果電壓總畸變率THD＝0.588，仿真波形如圖13所示。

圖13 6 kV母線三相電流仿真波形

仿真諧波電流幅值如圖14所示，由圖中可知，幅值最大的諧波電流為5次、7次諧波，其幅值約為5A，與基波電流（幅值2 kA）相比很小。仿真結果表明，雖然某些諧波源THD較大，但由于其功率相對母線功率很小，所以產生的諧波污染較小，符合相應國家標準［15］。

圖14 6 kV母線電流諧波幅值

3.2 母線諧波實測結果

對該發電廠廠用電母線編號為6 kV-61B、6 kV-62B的兩段母線進行實際測量，本次諧波檢測時間為兩段母線分別持續40 min，測試周期為0.25 s，統計周期為40min。測試過程中用戶大部分設備投入工作，負荷在15MV·A左右。

通過對各時段的統計結果進行分析，華能金陵電廠標號為61B和62B的6 kV母線電壓為6.1 kV，電壓總畸變率均在0.5%左右，與3.1節中仿真結果相符，達到了規定的6 kV電壓等級電壓總諧波畸變率低于4.0%的要求。

4 結束語

本文就發電廠廠用電系統中的電子開關型諧波源進行了分析研究，綜合考慮了高壓變頻器、低壓變頻器、等離子點火器、不間斷電源四種類型的諧波源，并分別對其進行理論研究和仿真分析。母線整體仿真表明，4種類型的諧波源或是采用進線濾波器、電流多重化等技術減小諧波，或是由于本身容量較小，對廠用電母線影響一般能控制在國家標準要求之內，實例測量結果也驗證了仿真結果的正確性。對發電廠廠用電諧波分析與治理具有一定參考價值。

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（本文責編：齊琳）

TM 621.3

B

1674-1951（2016）11-0030-05

李虎（1985—），男，江蘇徐州人，工程師，從事電氣相關運行和生產準備方面的工作（E-mail：zhendong＿ji＠126.com）。

2016-06-15；

2016-09-30