基于Matlab/Simulink仿真的H級燃機發電機靜態變頻啟動裝置諧波分析

胡可嘉，張軍，張天宇，高立新

基于Matlab/Simulink仿真的H級燃機發電機靜態變頻啟動裝置諧波分析

胡可嘉1，張軍1，張天宇2，高立新3

（1．上海閔行燃氣發電有限公司，上海市 閔行區 200245；2．土耳其EMBA公司，上海市 黃浦區 200010；3．上海電力大學環境與化學工程學院，上海市 楊浦區 200090）

隨著燃氣?蒸汽聯合循環發電技術不斷發展，發電機容量和參數要求不斷提升。H級燃氣?蒸汽聯合循環發電機組的發電機需具備更為穩定、高效、安全的啟動要求。為此，靜態變頻裝置(static frequency converter，SFC)啟動技術發展也迎來新的挑戰。SFC啟動技術精準、靈活、高效控制的同時，產生的諧波分量會對電源系統的電能質量有一定的影響。通過Matlab/Simulink建立H級燃機發電機SFC啟動仿真模型，模擬發電機啟動過程，觀察系統參數變化，分析諧波分量占比。仿真結果顯示，采用SFC啟動可通過調節輸出電流的頻率和幅值，柔性提升發電機的轉速，發電機啟動受沖擊小。但SFC內置大量非線性電氣元件，會使大量諧波分量涌入系統之中，影響電能質量。因此，提出2種抑制諧波影響的SFC接入優化方案，即增設輸入電抗器方案和輸入電源改接發電機機端方案。通過仿真模型證實了2種方案都可有效抑制或減少諧波影響，滿足電能質量要求。

燃氣?蒸汽聯合循環發電；靜態變頻裝置(SFC)；變頻調速；重型燃機發電機；諧波分析

0 引言

燃氣?蒸汽聯合循環發電是傳統火力發電領域高效清潔發電技術，而H級重型燃機的研發、生產和裝備能力是國家在重工業發展水平的重要標志之一。H級重型燃機不僅有利于傳統高效清潔發電行業，而且對于我國航天、船舶、分布式能源等領域的發展意義重大。近年來，我國在H級重型燃機的引進、研發、國產化的進程中，始終保持對科研力量和資金需求的大力投入[1]。

隨著H級重型燃機的不斷發展，與之配套的發電機及其電氣設備的研發和裝備也成為重點研究領域。由于燃機裝機容量不斷增大，配套發電機及其電氣設備的生產工藝、制造材料、參數設定、運行方式等具有更為苛刻的設計要求，甚至使常規技術已無法滿足，需進一步研究和突破，尋找新的解決方案。

重型燃機發電機多采用靜態變頻裝置(static frequency converter，SFC)啟動。SFC通過PI控制調節發電機定子輸入電流的頻率和幅值，柔性提升發電機轉速，具有調速精準、靈活、高效等特點，發電機啟動時受沖擊影響小。但SFC內置大量二極管、IGBT、電感、電容等非線性電氣元件，大量諧波分量涌入系統中，影響電能質量[2-3]。

諧波分量和諧波畸變率影響系統設備的正常運行，降低電能使用效率。系統設備受諧波影響而產生過熱、振動、噪聲等現象，加速設備老化，嚴重時會使設備發生故障或燒毀。系統的表計、繼電保護和自動裝置也會受諧波影響而發生計量錯誤、保護誤動等[3-6]。

本文主要通過Matlab/Simulink構建H級燃機發電機SFC啟動模型進行仿真，觀察和分析啟動過程各系統參數變化情況。并在仿真結果基礎上，對系統供電電源的電流和電壓波形進行FFT分析，研究SFC啟動時產生的諧波影響，提出減少諧波影響的優化方案，滿足電能質量要求。

1 H級燃機發電機SFC啟動Matlab/ Simulink建模

按常規設計，SFC接至6kV廠用電系統[7]，接線原理如圖1所示。模型中設定6kV母線額定電流為2kA，開關柜額定電流為1.25kA，額定熱穩定電流為40kA，持續時間不小于3s，額定動穩定電流為100kA，系統短路容量不超過200MV?A。中性點經中阻接地，功率因數為0.9。

圖1 SFC接線原理圖

SFC設定如下：采用12-6脈沖方式，最大軸功率為9.2MW，最小短路容量為250MV?A，隔離變DDy01接線，輸入變壓器阻抗為11%，輸出變壓器阻抗為8%，隔離變壓器空載額定電壓為2×2168V，輸出額定電流為1.595kA[8]。SFC的IGBT逆變器門脈沖受控制模塊調節。

圖2 發電機SFC啟動Matlab/Simulink模型

H級燃機發電機SFC啟動轉速變化曲線如圖3所示，對應的定子電流變化曲線如圖4所示。從圖3、4可以看出，在發電機升速過程中，轉速與定子電流st成反比，與定子電流頻率st成正比；隨著轉速增大，電流st緩慢減小，頻率st逐漸趨向于系統頻率，滿足轉速公式=60st/，其中為極對數[9]。

圖3 發電機SFC啟動轉速變化曲線

圖4 發電機SFC啟動定子電流變化曲線

2 電源側諧波分析

2.1 電能質量諧波分量要求

根據國家標準GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》的規定要求[11]，考慮諧波電流允許值和諧波電壓總畸變率限值，分別見表1、2。

不同短路容量相對于基準短路容量的諧波電流修正公式如下：

式中：I為實際最小短路容量下第次諧波允許修正值；k1為實際最小短路容量；k2為基準短路容量；Ip為基準容量下第次諧波允許值。

表1 諧波電流允許值

表2 諧波電壓總畸變率限值

2.2 Matlab/Simulink FFT諧波分量分析

利用Simulink模型中的Powergui FFT Analysis分析6kV電源在發電機啟動過程中的各高次諧波分量情況[11]。

6kV單相電流、相間電壓變化總曲線和1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s 3個時間段內的變化曲線分別如圖5、6所示。可以看出，發電機變頻啟動升速過程中，對SFC的6kV供電電源具有一定的電流沖擊影響，待升速完成后6kV電源電流趨于正常的穩定值。

對SFC的6kV供電電源的單相電流的各高次諧波進行分析。6kV電源頻率=50Hz固定不變，分別選取3個時間段的電流波形進行諧波分析，選取波形的時間區間分別為1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s，即對轉速啟動階段電流波形、轉速中期爬升階段電流波形、轉速穩定階段下6kV電流波形進行分析，結果如圖7所示。

由圖7(a)可得，1=(0.20,0.30)s時間段電流波形的有效電流1=5309A。該時間段電流波形各高次諧波值見表3。

圖7(b)可得，2=(3.00,3.10)s時間段電流波形的有效電流2=2979A。該時間段電流波形各高次諧波值見表4。

由圖7(c)可得，3=(9.00,9.10)s時間段電流波形的有效電流3=947.8A。該時間段電流波形各高次諧波值見表5。

圖5 6kV單相電流變化曲線

圖6 6kV相間電壓變化曲線

表3 t1=(0.20,0.30)s電流波形各高次諧波值

表4 t2=(3.00,3.10)s電流波形各高次諧波值

表5 t3=(9.00,9.10)s電流波形各高次諧波值

此外，對1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s時間段的6kV單相電壓波形進行FFT分析，得到諧波電壓總畸變率THDu1、THDu2、THDu3分別為5.08%、5.21%、4.40%。

通過分析可得，根據Simulink模型所設定H級燃機發電機、SFC啟動裝置和6kV系統參數，當發電機SFC啟動時，6kV系統的電流諧波分量滿足國家標準，但電壓畸變率略高于國家標準。

3 2種SFC接入優化方案

諧波的產生是由本系統中阻抗、變頻器、電機等非線性的負載所產生的非正弦電流、電壓波形引起的[12]。雖然SFC僅在發電機啟動過程中使用，運行時間短，在發電機完成升速后可立刻退出SFC，諧波分量的影響也是短暫的，對長期連續發電的主力電廠影響不大，但燃機電廠多為調峰電廠，若一年中頻繁啟動次數較多，久而久之會影響6kV系統壽命。因此，針對本文所建模型，提出以下2個優化方案，降低諧波帶來的影響。

3.1 SFC增設輸入電抗器

采用加裝輸入電抗器的優化方案降低諧波影響，其基本原理為：電感在交流環境下感抗大，而在直流環境下感抗接近于零，SFC的6kV輸入端加裝電抗器，可利用電感線圈在交流變化環境下產生的反電動勢來抑制SFC啟動時對6kV側電流的沖擊影響[13-14]。

電感相關公式如下：

X==2p(2)

U=jXI(3)

式中：X為感抗；為電感；為發電機運轉的角速度；為高次諧波頻率；U、I分別為電抗器壓降、電流。

由式(2)、(3)可知，越大，電抗器的X越大，對電流中高次諧波的抑制作用也越大。而在工頻狀態下，電抗器僅有一定的壓降[13]。因此，電抗器具備有效抑制6kV電源中高次諧波的作用。

利用已建Matalab/Simulink模型進行仿真。在6kV電源與SFC進線斷路器之間增設電抗器，設定其參數電感AC=3.2mL，額定電壓為6kV。模型部分改接如圖8所示。

圖8 SFC增設電抗器模型

以1=(0.20,0.30)s電流波形進行FFT諧波分析為例，分析結果如圖9所示，可得1=(0.20,0.30)s電流波形的有效電流1L=2207A。該時間段電流波形各高次諧波值見表6。

對比分析表6與表3，在1=(0.20,0.30)s期間，即發電機轉速啟動階段，安裝有輸入電抗器下的6kV單相電流1L=2207A，小于未安裝輸入電抗器下的6kV單相電流1=5309A。由此可見，增設輸入電抗器可以有效地減小發電機SFC啟動過程中對6kV電源系統的電流沖擊。

對于電流波形的各高次諧波，安裝有輸入電抗器的各諧波占比率均小于未安裝輸入電抗器的各諧波占比率。由此可見，增設輸入電抗器可以有效地抑制發電機SFC啟動過程中6kV系統中的高次諧波分量。

圖9 SFC增設電抗器后t1=(0.20,0.30)s電流波形FFT分析

表6 增設電抗器下t1=(0.20,0.30)s電流波形各高次諧波值

此外，對該時段內的6kV相間電壓波形進行FFT分析，可得安裝輸入電抗器下的6kV諧波電壓總畸變率THDu1L為0.59%，低于未安裝輸入電抗器下6kV諧波電壓總畸變率5.08%，且滿足國家標準要求。

綜上所述，SFC在6kV電源輸入端增設輸入電抗器，可有效抑制電流波形中的高次諧波，減少啟動過程中對6kV系統的電流沖擊，降低諧波電壓總畸變率，滿足國家標準要求。但增設電抗器需占用一定的廠房空間，對于布置緊湊的廠房可能會帶來一定困難。

3.2 SFC輸入電源改由發電機機端供電

將SFC電源由6kV段改接至發電機機端與220kV主變之間，220kV電網電源通過主變降壓至20kV機端電源提供給SFC。機端處具有較高的最小短路容量、額定電壓和額定電流值，承受諧波分量影響能力強[15]。

利用所建模型進行仿真，將原6kV電源改為220kV電源，經主變與SFC相連，調整SFC隔離變壓器額定電壓和變比等參數，模擬機端環境。主變設定為額定容量610MV?A，以額定容量為基準時的百分阻抗18%，變比(242±2×2.5%) kV/ 20kV(模型中變比取220kV/20kV)，接線方式YNd11。模型部分改接如圖10所示。測量SFC啟動過程中對220kV系統的諧波影響。

以1=(0.20,0.30)s電流波形進行FFT諧波分析為例，分析結果如圖11所示。從圖11可得，在1=(0.20,0.30)s時間段，主變220kV側電流波形的有效電流1T1=212.2A。該時間段電流波形各高次諧波值見表7。

通過分析表7可知，SFC改接至發電機機端與220kV主變之間后，主變220kV側電流波形的有效電流1T1=212.2A，換算至20kV側電流波形的有效電流1T2=2334.2A，電流低于同周期內接入6kV電源下的值，因此該優化方案可減小對SFC供電電源的電流沖擊。經主變后220kV側電流波形各高次諧波的占比率雖然略高于6kV情況下的值，但仍滿足國家標準的要求。

此外，對該時段內的220kV相間電壓波形進行FFT分析，諧波電壓總畸變率THDu1G為2.43%，低于6kV情況下的值。

圖10 SFC接至發電機機端與220kV主變之間模型

圖11 SFC接至發電機機端與220kV主變之間時t1=(0.20,0.30)s電流波形FFT分析

表7 SFC接至發電機機端與220kV主變之間時t1=(0.20,0.30)s電流波形各高次諧波值

綜上所述，將SFC電源由6kV段改接至發電機機端與220kV主變之間，可有效地減小發電機啟動過程中對電源側的電流沖擊，降低電源側諧波電壓總畸變率。但考慮到部分燃機電廠需頻繁啟動的運行特點，頻繁波動的電流值也難免會給主變的正常運行和使用壽命帶來一定影響。并且由于SFC接至發電機機端，主廠房內機端側一次設備的布置、數量、經濟性會受到一定影響。

4 結論

1）基于Matlab/Simulink仿真的H級燃機發電機SFC啟動模型，可直觀地模擬大容量發電機SFC啟動過程。SFC控制系統采集發電機轉速和定子電流值，通過內部PI控制邏輯進行運算和分析，調節并反饋調速所需的電流和頻率，使發電機轉速穩步上升，逐漸達到目標轉速。

2）H級燃機發電機SFC輸入電源的設計參數、抗沖擊和抗干擾能力要求高，利用仿真模型可直觀地觀察和分析SFC啟動過程中電源側電流的各高次諧波值和諧波電壓總畸變率。仿真結果表明：H級燃機發電機變頻啟動過程對SFC電源側的電流沖擊較大，受一定諧波影響。為此，提出了2種抑制諧波影響的SFC接入優化方案，通過仿真模型驗證可知2種方案均有效可行，尤其是SFC增設輸入電抗器的優化方案效果更佳，既可以減小SFC啟動過程中對電源側的電流沖擊，又可以有效降低諧波影響。而SFC接至發電機機端與220kV主變之間的優化方案，可顯著減小SFC啟動過程中對電源側的電流沖擊，降低諧波電壓總畸變率，但對電流高次諧波占比率和諧波電壓總畸變率還有優化空間，可進一步通過增設電抗器或濾波器等其他裝置達到更好的效果。

3）通過建立Matlab/Simulink模型，可以對整個發電機啟動過程中6kV電源、SFC、發電機等設備的重要參數變化過程進行直觀分析，且通過計算得到參數分量的變化情況，有利于在H級燃機項目前期進行更合理有效的系統設計和設備選型。

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Harmonic Analysis of H Class Gas Turbine Generator Starting With Static Frequency Converter Based on Matlab/Simulink Simulation

HU Kejia1, ZHANG Jun1, ZHANG Tianyu2, GAO Lixin3

(1. Shanghai Minhang Gas Power Generation Co., Ltd., Minhang District, Shanghai 200245, China; 2. EMBA Electricity Production Co. Inc., Huangpu District, Shanghai 200010, China; 3. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China)

With the development of gas-steam combined cycle power generation technology, the requirements of generator capacity and parameters are constantly improving. The generators of H class gas-steam combined cycle generator unit need to have more stable, efficient and safe starting requirements. It also stimulates improvement of static frequency converter (SFC) technology facing more challenge. SFC technology has displayed its advantages in controlling accurately, flexibly and efficiently. Meanwhile, SFC brings more harmonic components to influence the quality of power system. SFC start-up simulation model of H class gas turbine generator was built by Matlab/Simulink to simulate the generator start-up process, the evolvement of various parameters was researched and the proportion of harmonic components during the generator starting was analyzed. The simulation results show that the SFC start-up can increase the speed of the generator flexibly by adjusting the frequency and amplitude of the output current, and the impact of the generator start-up is small. However, large numbers of nonlinear electrical components built in SFC will cause higher proportion of harmonic components appear in power system and influence power quality. Therefore, two optimization schemes for SFC access were proposed to suppress harmonic effects, which are the scheme of adding input reactor before SFC and the scheme of changing generator end of input power supply. Through the simulation, it was proved that the two schemes can effectively suppress or reduce the harmonic effect and meet the requirements of power quality.

gas-steam combined cycle power generation;static frequency converter (SFC); variable frequency speed regulation; heavy duty gas turbine generator; harmonic analysis

10.12096/j.2096-4528.pgt.19131

TK 477; TM 611.31

國家自然科學基金項目(51571140)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51571140).

2020-01-03。

(責任編輯 尚彩娟)