抽水蓄能電站靜止變頻啟動電能質(zhì)量分析與抑制措施研究

袁 波，呂鵬飛，茅雨培，張順仁，李晟宇

（1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司 遼寧蒲石河電站，遼寧省丹東市 118216；2.上海明華電力科技有限公司，上海市 200090）

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運行過程中，不僅具有削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，而且節(jié)能環(huán)保無污染，是保障電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的有效調(diào)控手段。抽水蓄能電站機組在電力系統(tǒng)輕載、電能富余的時候啟動抽水工況，其啟動方式主要有靜止變頻啟動裝置（SFC）啟動和背靠背（BTB）啟動兩種，其中SFC啟動方式是主用方式，但SFC啟動過程將對廠用電電能質(zhì)量帶來一定的影響。本文將在SFC啟動過程中，通過對廠用電多個關鍵節(jié)點的測量，對電能質(zhì)量問題加以衡量，并在RTDS平臺搭建全電站仿真模型，分析不同治理措施下的仿真結(jié)果，以找到最佳的解決方案。

1 SFC啟動過程

1.1 SFC結(jié)構(gòu)

靜止變頻啟動裝置（SFC）采用三相橋式全控電路，可提供12脈沖和6脈沖兩種拓撲結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)可實現(xiàn)電壓以及功率的擴展，并將變頻器對電網(wǎng)和電機的諧波影響降到最低。圖1為抽水蓄能機組SFC常用12-6脈沖典型的靜止變頻啟動裝置結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)橋起整流的作用，通過觸發(fā)脈沖控制維持直流電流穩(wěn)定。機側(cè)變頻器起到逆變作用，以逐漸升高的頻率交替向電機定子某兩相通入電流，產(chǎn)生始終超前于轉(zhuǎn)子磁場的定子旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，實現(xiàn)機組啟動。SFC運行時產(chǎn)生的主要特征諧波次數(shù)h為：

圖1 SFC典型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 SFC drag motor typical structure diagram

其中k是正整數(shù)，p是整流橋脈沖數(shù)。因此，系統(tǒng)主要特征諧波次數(shù)為11、13、23、25……

1.2 SFC啟動過程與換相機制

SFC 在抽水蓄能同步電機啟動過程中，主要分為兩個階段：①低速階段（0～5Hz）。此階段由于轉(zhuǎn)速較低，機端電壓較小，機橋不能進行自動換相，需要采用脈沖耦合方式進行強迫換相。②高速階段（5Hz以上）。此時發(fā)電電動機具有一定的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過勵磁控制系統(tǒng)在機端建立一定的電壓水平，SFC 可以工作在自然換相階段，電機進入同步運行模式。SFC通過控制網(wǎng)橋和機橋的觸發(fā)脈沖，將輸出頻率逐步調(diào)整至50Hz左右。

低速運行階段電動機轉(zhuǎn)子位置和電磁力矩的方向是兩個關鍵因素。電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于5Hz時，為了獲得更大的電磁力矩，同時避免輸出變壓器在過低頻狀態(tài)運行，由機橋直接帶電動機運行。電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于5Hz時，投入輸出變壓器運行。

2 SFC啟動過程實測與仿真

2.1 SFC啟動過程實測

抽水蓄能電站SFC啟動電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抽水蓄能電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 System structure diagram of pumped storage station

其中主變壓器容量為360MVA，電壓等級500/18kV，主變壓器低壓側(cè)經(jīng)電抗器聯(lián)結(jié)SFC，變頻設備通過開關切換拖動對應的發(fā)電電動機，站內(nèi)10kV和400V站用電母線分別為2段和18段。實測過程考慮到不同的運行方式、不同的測量點選擇，得到電機拖動運行時機端以及系統(tǒng)其他運行點實時的電壓電流曲線。

圖3中分別顯示主變壓器高壓側(cè)電壓、低壓側(cè)電流以及發(fā)電機端啟動過程中電壓與電流，由圖可知電機啟動時間大約224s，開始啟動時刻96.19s，低速強迫換相階段持續(xù)12.12s，在此階段電壓電流波形諧波含量較高，其中以11、13次為主，從116.14s進入自然換相階段，直到323.25s左右電機運行到50Hz，此階段電機消耗大量的無功功率，使系統(tǒng)電壓進一步降低，從而影響到廠用電的正常運行，例如燈光閃爍、電機振動、自動裝置的誤動作等。

圖3 SFC拖動過程中現(xiàn)場實測波形Figure 3 Field measured waveform during SFC dragging

2.2 SFC啟動過程仿真運行

根據(jù)抽水蓄能結(jié)構(gòu)圖，本文基于RTDS建立仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 抽水蓄能電站仿真運行圖Figure 4 Simulation diagram of pumped storage power station

設備經(jīng)調(diào)試運行，在變頻啟動過程中，電能質(zhì)量存在的主要問題是諧波和電壓降落問題。其中諧波電流11、13次較為明顯，造成本側(cè)10kVⅡ母電壓畸變，過程中總電壓諧波畸變率最高達到6.39%，同時在拖動電機電流逐漸增加到615A，機端電壓降落大約為3.98%，部分仿真如圖5所示，四張仿真結(jié)果分別是Ⅱ母電壓、Ⅰ母電壓、Ⅱ母電流和Ⅱ母電流傅里葉變換。

圖5 SFC拖動電機產(chǎn)生諧波Figure 5 SFC drag motor produces harmonics

2.3 SFC裝置的諧波限制指標分析

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標準，將廠用高壓變壓器高壓側(cè)18kV作為第一電壓等級，以國標10kV電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的允許值4%為基礎，進行推算：

其中Kx是上下級電網(wǎng)短路容量之比，KS是上下級電網(wǎng)供電容量之比，為盡量與國際標準靠攏，取推算值的高限，可以得到18kV級的諧波電壓總畸變率的允許值為3.5%。

3 諧波抑制措施仿真分析

對于抽水蓄能電站所用的SFC裝置諧波抑制方法從兩個方面加以考慮。一是從減少電力電子設備本身所發(fā)出的諧波，研制新型低諧波電力電子裝置。二是從系統(tǒng)上考慮采用各種濾波措施以及改進供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于方法一涉及SFC裝置本身，現(xiàn)場改進的機會不大，所以本文將從方法二開展電能質(zhì)量分析與研究，且著重在以下三方面：

3.1 無源濾波器

無源濾波由于對電壓具有較高的承受程度、較大的容量、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對特征次諧波具有較為明顯的濾波效果，同時由于其在基波頻率下具有無功補償?shù)哪芰Γ虼丝梢宰鳛镾FC拖動電機運行時提高電能質(zhì)量的措施之一。從現(xiàn)場測試可以看出，SFC啟動過程穩(wěn)態(tài)條件下水泵水輪機電流約615A，相位滯后電壓約90°，補償電容的參數(shù)設置如表1所示。

表1 不同功率因數(shù)下的濾波器參數(shù)設計與抑制效果Table 1 Filter parameter design and suppression effect under different power factors

表1顯示，在電源側(cè)設置11、13次濾波裝置，既可以達到濾除諧波的效果，同時由于在基波條件下起到無功補償作用，在SFC啟動過程中防止電壓跌落的效果也非常明顯。但無源濾波器的缺陷在于它是針對最嚴重的幾次諧波分量而裝設的單調(diào)諧濾波器，對于特征不明顯的諧波含量濾波效果不是很明顯，并且補償特性易受運行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振而導致濾波器過載，因此在實際使用過程中也受到諧波條件的約束。

3.2 增設限流電抗器

抽水蓄能電站SFC啟動過程中，會受到場地、系統(tǒng)復雜性等多種因數(shù)影響，對系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)進行修改是抑制諧波的另一種有效方法。如圖4所示，四臺主變壓器低壓側(cè)均裝有限流電抗器，針對SFC和廠用高壓變壓器同時供電負荷的情況，可以在2、4號主變壓器低壓側(cè)再各增加一組限流電抗器用于單獨給廠用高壓變壓器供電，并為其連接所需的銅排和絕緣子及其支架[1-10]。根據(jù)GB/T 1094.6—2011《電抗器》標準，得到基準電流Id和基準電壓Ud的值；根據(jù)電站基本參數(shù)，得到電源至電抗器的總電抗x＇、短路電流限制值I″、額定電流IN和額定電壓UN。可以按下式計算對應的電抗百分數(shù)：

按照GB/T 1094.6—2011《電力變壓器 第6部分：電抗器》標準，并考慮充足的斷路裕度，電抗百分數(shù)取4%，此時的電抗器電感值約為1.5mH。

對仿真系統(tǒng)做出修改后，觀察濾除諧波的效果，仿真運行圖如圖6所示。

圖6 注入系統(tǒng)的諧波含量Figure 6 Injected harmonic content of the system

由仿真結(jié)果可知，11、13次諧波含量降至0.2%，總諧波畸變率降至1%以下。增設限流電抗器可以有效濾除SFC啟動時所產(chǎn)生的諧波。

3.3 改變系統(tǒng)運行方式

通過改變SFC啟動時系統(tǒng)運行方式對改善電能質(zhì)量也能起到一定的作用。在SFC運行過程中，原先SFC和2號廠用高壓變壓器18kV側(cè)同時由4號主變壓器供電，SFC與廠用負載間的電氣距離僅有2號廠用高壓變壓器，電抗標幺值為1.7840。現(xiàn)改為分別取自2號和4號主變壓器供電。SFC與廠用負載間的電氣距離變?yōu)?號廠用高壓變壓器、2號電抗器、4號電抗器、2號主變壓器和4號主變壓器，整體電抗標幺值為2.1278，有明顯的升高。

仿真結(jié)果如圖7所示，Ⅱ母電壓跌落由原來的3.98%降至0.1%。此時，總諧波畸變率降至1%以下。限制運行方式對改善電能質(zhì)量的效果十分明顯。

圖7 電壓降落對比圖Figure 7 Voltage drop comparison results

4 結(jié)論

本文針對抽水蓄能電站SFC啟動過程中的電能質(zhì)量問題建立了大型電站模型，并就此問題的抑制措施加以分析和研究。結(jié)果表明，在SFC側(cè)采用無源濾波對于特征量明顯的諧波具有良好的效果，但會帶來其他的運維問題；為廠用高壓變壓器單獨增設一組限流電抗器，能有效抑制SFC給廠用設備帶來的電能質(zhì)量問題；改變SFC啟動過程中系統(tǒng)運行方式同樣可以抑制啟動過程中帶來的電能質(zhì)量問題。