候媛媛

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001）

引黃工程平魯泵站接入系統(tǒng)及干線擴機后諧波分析計算

候媛媛

（中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001）

闡述了隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，變頻器驅(qū)動交流電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)已成為交流調(diào)速的主流，變頻調(diào)速系統(tǒng)作為供電網(wǎng)的主要諧波源之一，對其進行諧波分析是必要的。針對萬家寨引黃工程平魯泵站及各干線的變頻調(diào)速機組進行諧波分析計算，結(jié)果表明泵機投運后會對電網(wǎng)造成諧波污染，建議控制變頻機組同時投運數(shù)量，并且在變頻裝置中裝設(shè)濾波器。

引黃工程；變頻調(diào)速；諧波

0 引言

高壓變頻器整流側(cè)諧波污染是必須關(guān)注的電能質(zhì)量問題。變頻裝置整流橋的交流側(cè)是諧波電流源，諧波電流注入電網(wǎng)，使供電系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量，有可能和供電系統(tǒng)形成并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。若諧振頻率等于或接近于系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率，還可能引起更為嚴(yán)重的諧波放大問題。所以，較大容量的變頻裝置接入供電系統(tǒng)前，應(yīng)進行諧波分析研究，預(yù)測諧波量的大小和所產(chǎn)生的危害，并提出相應(yīng)的抑制措施。

1 變頻器的諧波危害

在交流變頻調(diào)速方式中，變頻器作為一種頻率可變的交流電動機驅(qū)動器，因其節(jié)能效果明顯、精度高、運行可靠、維護簡單等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、機械、工業(yè)、生活等各個領(lǐng)域中。但變頻器主要組成器件是電力電子元件，具有非線性特性及其沖擊性用電工作方式，會產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重干擾電力系統(tǒng)運行，所以變頻器諧波問題日益引起人們的關(guān)注。

a）諧波對供電線路產(chǎn)生附加諧波損耗，諧波線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導(dǎo)線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

b）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對發(fā)電機會產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機械振動和噪聲；對斷路器當(dāng)電流波形過零點時，由于諧波的存在可能造成高的電流變化率，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間。

c）諧波將使繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差；諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大，如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作[1]。

2 引黃工程平魯泵站及干線擴機方案

2.1 平魯泵站

萬家寨引黃工程位于山西省西北部，由取水首部總干線、南干線、北干線和聯(lián)接段等四部分組成。

北干線近期年引水量為2.96×108m3，相應(yīng)引水流量11.8m3/s。工程需要在朔州市平魯區(qū)新建大梁水庫及平魯?shù)叵卤谜尽Ｔ摫谜臼禽斔备删€上的揚水泵站，裝機5臺，單機容量1 700 kW，運行方式為4用1備。

平魯泵站供電電源按2回110 kV供電線路設(shè)計。主供電源引自井坪110 kV站，備用電源由下土寨供給。正常運行方式時只投入井坪1回線路，下土寨側(cè)備用。

2.2 干線擴機方案

引黃工程一期各泵站裝機3臺，裝機總?cè)萘繛?63.5MW/15臺，其中運行109MW/10臺。

作為年運行達(dá)7 300 h的梯級工業(yè)供水工程，為供水保證率和可靠性，同時考慮事故備用和檢修備用，本次設(shè)計引黃工程引水規(guī)模時，總干線各泵站確定增加裝機2臺，共裝機5臺，其中總干一、二級泵站運行容量分別為48MW/4臺，總干三級泵站運行容量為26MW/4臺；南干一、二級泵站各增加裝機1臺，共裝機4臺，運行容量分別為36MW/3臺。

沿線各泵站的兩路電源均由方城220 kV變電站110 kV母線供出。詳見擴機后的引黃工程供電系統(tǒng)圖1。

圖1 引黃工程供電系統(tǒng)簡圖

3 引黃工程變頻調(diào)速機組

3.1 變頻器模型

目前市場上所推崇的效率高、節(jié)能效果較好的變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成。

移相變壓器是多脈波二極管/晶閘管整流器不可缺少的組成部分，它具有三個功能：實現(xiàn)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移以消除諧波；變換得到需要的二次側(cè)電壓值；實現(xiàn)整流器與電網(wǎng)間的電氣隔離[2]。

功率模塊為基本的交—直—交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，而其主電路的核心技術(shù)均是基于絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）器件的H橋串聯(lián)逆變器。通過對IGBT逆變橋進行正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM（Sine PulseWidth Modulation） 控制，可得到單相交流輸出。每個功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。功率模塊波形相互之間存在一定次序的相位差，串聯(lián)后三相星型接法輸出可得到系統(tǒng)輸出的階梯型正弦波。

H橋多電平串聯(lián)高壓變頻器基本工作原理：由電網(wǎng)送來的三相10 kV交流電經(jīng)過隔離移相變壓器供給每相5個共計15個單相IGBT逆變器功率單元，本相上的5個功率單元輸出的SPWM波相疊加后，采用星形連接，將形成線電壓為10 kV的高質(zhì)量的正弦波輸出，供給電機。功率單元采用交—直—交變頻技術(shù)，三相輸入、單相輸出，大大提高了工作的可靠性[3-4]。

3.2 變頻裝置配置

根據(jù)引黃工程供水要求和各級泵站間流量平衡的需要，為避免溢流和棄水，降低損耗，目前已分別在總干和南干各裝設(shè)部分變頻調(diào)速機組，其中一期輸水工程總干三級站和南干一、二級站各裝設(shè)2臺變速機組，其中1臺變速機組與1臺定速機組并聯(lián)運行，另1臺變速機組備用。

設(shè)計引黃工程引水規(guī)模時，已確定總干線各泵站增加裝機2臺，其中總干一、二級泵站運行4臺，仍然全部為定速機組；總干三級站運行4臺，裝設(shè)3臺變速機組（加裝的1臺變頻裝置暫與一期配置相同），考慮2臺變速機組與2臺定速機組并聯(lián)運行，另1臺變速機組備用；南干一、二級泵站各增加裝機1臺，運行容量分別為36 MW/3臺，仍為2臺變速機組，考慮2臺定速機組與1臺變速機組并聯(lián)運行，另1臺變速機組備用。

由于總干一、二和南干一、二級站機組容量較大，直接起動電壓降已達(dá)15%以上，目前在總干一、二級泵站各裝設(shè)有1臺起動變頻裝置，確定本期再各加裝1臺；而南干一、二級泵站的變頻驅(qū)動裝置兼作定速機組起動變頻裝置。

平魯泵站設(shè)計采用異步電動機機型，單機容量1 700 kW，總裝機容量8 500 kW/5臺，遠(yuǎn)期運行4臺，配套裝設(shè)4臺變頻裝置用以起動或驅(qū)動。見圖1。

4 諧波分析計算

4.1 諧波電流與電壓計算[5]

4.1.1 諧波電流計算

諧波電流允許值修正公式

式中：In1——修正后的n次諧波電流允許值；

In2——按基準(zhǔn)短路容量計算的注入公共連接點的n次諧波電流允許值；

Sd1——監(jiān)視點的短路容量；

Sd2——基準(zhǔn)短路容量。

4.1.2 諧波電壓計算

第h次諧波電壓含有率Hhru與第h次諧波電流分量Ih的關(guān)系

式中：Hhru——第h次諧波電壓含有率，%；

UN——電網(wǎng)的標(biāo)稱電壓，kV；

Ih——第h次諧波電流，A；

Sk——公共連接點的三相短路容量，MVA。第h次諧波電壓

4.2 變頻器輸出諧波對異步電機的影響

引黃工程采用的泵機類型為異步電動機。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機作為變頻器主要的負(fù)載存在于系統(tǒng)中。變頻器在運行時，回路內(nèi)的開關(guān)元件會有規(guī)律地開通與關(guān)斷而產(chǎn)生大量的諧波，使電能質(zhì)量下降，給電機帶來較大影響，嚴(yán)重時可造成異步電機的損壞。因而分析變頻器輸出諧波影響應(yīng)首先考慮對電動機的影響[6]。

4.3 引黃工程變頻機組諧波計算

4.3.1 諧波計算程序及模型

諧波計算分析使用的程序，是從加拿大CYME公司引進的Cymharmo3.0版本。該程序具有編輯、計算、繪圖等功能，可計算諧波阻抗及串并聯(lián)諧振點、諧波潮流及諧波指標(biāo)、諧波電壓靈敏度分析、通信線感應(yīng)電壓及噪聲水平等，被許多國家廣泛應(yīng)用于計算實際工程問題。

為了較準(zhǔn)確地模擬諧波特征指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)元件采用如下幾種模型。

同步機模型：同步電機的諧波模型為Norton等值回路，包括一個基頻電流源，并聯(lián)一個阻抗，該阻抗定義了在諧波頻率下發(fā)電機吸收電流的特性（發(fā)電機阻抗不吸收任何基頻電流）。

分布參數(shù)輸電線路：R為單位長度串聯(lián)電阻；X為單位長度串聯(lián)電抗；B為單位長度并聯(lián)電導(dǎo)；Lg為輸電線路長度。

變壓器模型：在Cymharmo程序中，認(rèn)為固定分接頭變壓器、移相變壓器等均由帶阻抗的理想變壓器來模擬，阻抗由電阻R和電感L來決定。不包括并聯(lián)勵磁之路，假設(shè)勵磁支路為高阻抗支路，也不考慮電阻的集膚效應(yīng)。

諧波源模型：采用多頻率電流源模型。按照30脈沖變頻器整流側(cè)輸入的特征諧波頻譜，計算輸出側(cè)諧波電壓畸變率及各次諧波電流值。

4.3.2 平魯泵站諧波計算

按照大梁平魯泵站接入點電網(wǎng)最小短路容量，考慮4臺異步變速機組同時運行，以平魯接入井坪方式計算的注入井坪110 kV母線諧波電流允許值、計算值及各母線諧波電壓總畸變率見表1、表2、表3。

表1 注入井坪110 kV母線諧波電流允許值 A

表2 平魯接入井坪母線諧波電流計算值 A

表3 平魯接入井坪站各母線諧波電壓畸變率

當(dāng)平魯泵站接入井坪110 kV變電站時：平魯站10 kV母線的電壓總諧波畸變率Tthd為11.12%，超過了國家標(biāo)準(zhǔn)的限值。其余母線Tthd均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。諧波源注入點（井坪）各次諧波電流值也在允許值范圍內(nèi)。

為濾除諧波和無功補償?shù)男枰谄紧斦?0kV母線加裝了0.2Mvar的5次濾波器。從計算結(jié)果可知，加裝濾波器后，平魯站10 kV母線的Tthd降為3.02%，在允許范圍（4%）之內(nèi)。加濾波器后的諧波電壓畸變率見表4。

表4 加裝濾波器后各母線諧波電壓畸變率

4.3.3 考慮總干一級泵站起動變頻裝置的諧波計算

以平魯泵站接入井坪考慮，按照總干一、二級泵站為串聯(lián)運行的特點，總干一級站先加裝1臺變頻裝置用以水泵機組起動。

注入方城220 kV站110 kV母線諧波電流允許值如表5所示。諧波源注入方城變110 kV母線的各次諧波電流及相關(guān)母線諧波電壓總畸變率計算結(jié)果詳見表6和表7。

表5 注入方城110 kV母線諧波電流允許值 A

表6 注入方城110 kV母線諧波電流計算結(jié)果 A

表7 總干一級站加起動變頻裝置各母線諧波電壓畸變率

總干一、二級站110 kV母線的電壓總諧波畸變率Tthd分別為2.11%、2.08%，略超過了國家標(biāo)準(zhǔn)限值2%的允許范圍。諧波源注入點方城220 kV站110 kV母線Tthd為0.97%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值；其各次諧波電流也均在允許范圍內(nèi)，滿足諧波含量要求。

為了抑制諧波超標(biāo)，在總干一級站變頻起動裝置中裝設(shè)了少量濾波器。由表8可看出，加裝濾波器后，總干一、二級站110 kV母線的Tthd分別降為1.29%、1.31%，均在允許范圍內(nèi)。加濾波器后的諧波電壓畸變率見表8。

表8 加裝濾波器后各母線諧波電壓畸變率

4.3.4 諧波計算結(jié)果分析

從諧波計算結(jié)果可以看出，計算網(wǎng)絡(luò)按照4臺1 700 kW異步機變速機組接入平魯站10 kV母線，不加濾波器，其母線已超出了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值。在平魯站10 kV側(cè)加裝少許容量濾波器，其母線Tthd即能降為允許范圍（4%）之內(nèi)，滿足諧波含量要求。另外，只要配備相應(yīng)的濾波裝置，總干一、二級泵站使用變頻起動方式可以滿足諧波要求，對電網(wǎng)沒有大的影響。

5 結(jié)束語

根據(jù)對萬家寨引黃工程平魯泵站及干線變頻機組并網(wǎng)進行諧波分析計算看出，異步變頻調(diào)速機組投運后會對電網(wǎng)造成諧波污染，建議控制變頻機組同時投運數(shù)量以減少諧波源，同時需在變頻裝置中裝設(shè)少量濾波器，即可以防止附近母線電壓和電流產(chǎn)生大的波形畸變，從而保持電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

［1］ 楊承昌.變頻器諧波危害及對策［J］.機械工程與自動化，2010（6）：205-208.

［2］ 加拿大BinWu著.大功率變頻器及交流傳動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007：65-115.

［3］ 吳忠智，吳加林.變頻器原理及應(yīng)用指南［M］.北京：中國電力出版社，2007：181-221.

［4］ 劉鳳君.完美無諧波高壓IGBT變頻器［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001（9）：421-427.

［5］ 能源部電力司.GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1993：1-6.

［6］ 段峻.工業(yè)變頻器對電網(wǎng)及負(fù)載的諧波影響及分析［D］.西安：陜西科技大學(xué)，2007.

Harmonic Analysis Calculation after Pinglu Pump Station of Yellow River Diversion Project Being Connected to Power Grid and Trunk Line Being Extended

HOU Yuan-yuan
（Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute of China Energy Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

With the developmentofvariable frequency speed controlsystem,variable frequency speed control system of AV driving motor has become themainstream of the AC speed control.Variable frequency speed control system，as one of the important harmonic sources of power grid，is necessary to be analysed in terms of harmonic influence.Through harmonic calculation on inverter-driven induction motor connecting to Pinglu pump station and trunk line of Yellow River diversion project，it is indicated that after themotor being put into operation，itwill cause harmonic pollution on power grid.Therefore，it is proposed to control the number of frequency convertersetswhich are putintooperation concurrently，and to install filteron inverter device.

Yellow River diversion project；variable frequency speed control；harmonic

TM921.51

A

1671-0320（2014）03-0034-05

2014-01-24，

2014-04-10

候媛媛（1982-），女，山西晉城人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士研究生，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作。