周艷青

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

隨著電力電子變頻的技術(shù)的迅速發(fā)展，抽水蓄能電站一般采用靜止變頻裝置（Static Frequency Converter，SFC）起動(dòng)方案，具有速度快、可靠性高、維護(hù)工作量少、對(duì)系統(tǒng)影響小等優(yōu)越性，但SFC作為電力電子變頻系統(tǒng)，具有非線(xiàn)性系統(tǒng)的特性，在投入運(yùn)行時(shí)會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成較大的污染。

1 惠州抽水蓄能電站廠用電接線(xiàn)方式

惠州抽水蓄能電站位于廣東省惠州市博羅縣境內(nèi)，直線(xiàn)距廣州112km。上庫(kù)為范家田水庫(kù)，正常蓄水位762m，死水位740m，有效庫(kù)容2739.7 萬(wàn)m3。下庫(kù)為礤頭水庫(kù)，正常蓄水位231m，死水位205m，有效庫(kù)容2766.6 萬(wàn)m3，具有周調(diào)節(jié)能力。平均毛水頭534m，輸水道總長(zhǎng)4454m，L/H=8.3。單機(jī)容量300MW，總裝機(jī)容量2400MW，A、B 廠各布置四臺(tái)機(jī)組，四機(jī)共用一套SFC 起動(dòng)裝置，每套SFC 容量23.5MVA，約為單機(jī)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(xiàn)供電，而#1，#2廠高變電源分別取自#1，#2 主變低壓側(cè)。SFC 進(jìn)線(xiàn)電源取自#1 主變低壓側(cè)。即SFC 電源和10kV 公用A 段以及與此連接的400V 配電系統(tǒng)均由#1 主變供電。此部分的400V 配電系統(tǒng)包括：400V 主Ι 主ΙΙ配電盤(pán)Ι 段、500kV 開(kāi)關(guān)站配電盤(pán)、照明盤(pán)、#1 至#4 機(jī)組動(dòng)力盤(pán)Ι 段進(jìn)線(xiàn)、空壓機(jī)配電盤(pán)直流配電盤(pán)及主變配電盤(pán)ΙΙ 段等。SFC 進(jìn)線(xiàn)電源取自#1 主變低壓側(cè)，SFC 輔助電源(400V)取自主變配電盤(pán)60LKA001TB 的Ι 段母線(xiàn)，而60LKA001TB 的Ι 段母線(xiàn)取自400V 盤(pán)柜10LKA001TB 的ΙΙ 段母線(xiàn)，正常方式時(shí)輔助電源與SFC 進(jìn)線(xiàn)電源不是取自同一主變。如圖1所示。

由于受東莞Ι、ΙΙ 出線(xiàn)施工影響，廠用電需向象山站反送電，2009年6月13日進(jìn)行了廠用電倒換。經(jīng)廠用電倒換后，我廠所有400V 廠用電均由#1 主變供電，即SFC 進(jìn)線(xiàn)側(cè)電源與SFC 輔助電源均取自同一主變側(cè)。

2 SFC 起動(dòng)時(shí)諧波對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響

2.1 事件經(jīng)過(guò)

2009年6月13日22：45，在廠用電倒換后試起動(dòng)SFC 拖動(dòng)#2 機(jī)組過(guò)程中，出現(xiàn)“Power supply fault”報(bào)警，接著SFC 系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出“electrical stop”命令，SFC 起動(dòng)失敗。初步分析原因?yàn)椋河捎赟FC 進(jìn)線(xiàn)側(cè)電源與SFC 輔助電源均取自同一主變側(cè)，在起動(dòng)過(guò)程中SFC 產(chǎn)生的諧波直接影響到其輔助電源，因此SFC 交流電源電壓監(jiān)視繼電器FV375 由于電壓畸變失磁，發(fā)出“Power supply fault”報(bào)警。將SFC 交流電源監(jiān)視繼電器-FV375 用作報(bào)警和跳閘的輔助接點(diǎn)短接，即繼電器-FV375 的21 和24、-X05 端子的75 和76。重新起動(dòng)SFC 拖動(dòng)#2 機(jī)組成功，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)電壓繼電器FV375 在起動(dòng)過(guò)程中頻繁動(dòng)作。

2009年6月19日02:24 #2 機(jī)組泵工況起動(dòng)失敗。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到30%左右時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)二級(jí)故障跳機(jī)。檢查event log 及現(xiàn)地故障信息，分析原因?yàn)椋河捎赟FC 起動(dòng)過(guò)程中由于諧波影響使400V廠用電電壓畸變（諧波含量9.3%），勵(lì)磁冷卻風(fēng)扇電源電壓繼電器K94 未能正常勵(lì)磁，可控硅橋冷卻風(fēng)扇未能正常起動(dòng)，2:24:26 時(shí)可控硅橋U22 溫度高，可控硅橋U22 故障，切換至U21，2:24:31 時(shí)，繼電器K65，K66 勵(lì)磁，報(bào)2 BR cooling fault 故障，可控硅橋U21 溫度保護(hù)動(dòng)作，Thyristor Bridge Nr 1 fault 故障，導(dǎo)致勵(lì)磁二級(jí)故障跳閘。同時(shí)，受廠用電電壓畸變影響，#2，#4 空壓機(jī)跳閘，#2 主變冷卻器退出運(yùn)行。

2.2 對(duì)廠用電系統(tǒng)進(jìn)行諧波普查及分析

故障發(fā)生后，電氣人員在18kV、10kV 以及400V側(cè)錄取電壓波形進(jìn)行諧波分析，分別統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 惠州抽水蓄能電站廠用電接線(xiàn)示意圖

表1 18kV、10kV 以及400V 側(cè)電壓波形諧波分析

圖2 十二脈沖SFC 變頻裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

對(duì)于SFC 這種橋式整流裝置，從理論上它只產(chǎn)生特征諧波。即在整流橋的電源側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)為

式中，h為特征諧波次數(shù)；p為整流橋脈動(dòng)數(shù)，對(duì)于SFC 一般為6 或12；k為整數(shù)1，2，3，…。

實(shí)際上，由于整流元件導(dǎo)通不一致、相電壓不平衡以及其他原因，整流裝置還會(huì)產(chǎn)生非特征諧波，但一般數(shù)值比較小。

惠州抽水蓄能電站SFC 變頻起動(dòng)裝置采用12脈沖整流，其整流部分采用兩個(gè)三相全控整流電路串聯(lián)組成，共有12 個(gè)橋臂，各臂開(kāi)通時(shí)刻的間隔為1/2 基波周期。每個(gè)橋的直流電壓都是6 脈動(dòng)的，由于兩者的三相交流電壓相差30°，串聯(lián)之后所得到的直流電壓是12 脈動(dòng)的。如圖2所示。由h=kp±1，p=12 可知，SFC 變頻起動(dòng)裝置產(chǎn)生的特征諧波主要為11、13、23、25 次諧波，從上表可知，SFC 起動(dòng)時(shí)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(shù)，取歸算基準(zhǔn)容量Sb=100MVA。

系統(tǒng)最小運(yùn)行方式時(shí)，電廠500kV 系統(tǒng)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(diǎn)的電壓總畸變率

接線(xiàn)圖及等效電路如圖3所示，PCC1 點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的短路電抗：

從其中可見(jiàn)，在回路中電抗器的電抗起主導(dǎo)作用，而系統(tǒng)的電抗占較小的比例。

PCC1 對(duì)系統(tǒng)的短路容量

PCC1 處的電壓總畸變率

圖3 廠用電接線(xiàn)及等效電路示意圖

對(duì)惠州抽水蓄能電站18kV、10kV 以及400V側(cè)實(shí)測(cè)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(mǎn)足合同要求。（合同規(guī)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各級(jí)電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率（THDu）給出的限值見(jiàn)表2。

表2 國(guó)標(biāo)GB/T14549 對(duì)公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相電壓）

另外需指出的是，在諧波錄取時(shí)的幾次SFC 起動(dòng)，均為正常起動(dòng)，在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中僅存在400V系統(tǒng)電壓繼電器頻繁動(dòng)作的情況，未伴隨出現(xiàn)空壓機(jī)、輔機(jī)、勵(lì)磁等故障信息。也就是說(shuō)，在SFC 起動(dòng)失敗的幾次故障中，諧波含量可能更高。SFC 起動(dòng)過(guò)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(fā)角度有關(guān)。

2.3 針對(duì)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(chǎn)生的諧波將影響到抽水蓄能電站其他電氣設(shè)備，通過(guò)主變壓器傳遞到高壓側(cè)，影響高壓側(cè)下其他用戶(hù)的正常運(yùn)行；通過(guò)廠用變傳遞到低壓側(cè)，引起廠用電系統(tǒng)電壓畸變，影響輔機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

針對(duì)惠州抽水蓄能電站出現(xiàn)的實(shí)際情況，提出了三種解決方案。

1）在SFC 變頻裝置進(jìn)出線(xiàn)端加裝隔離變壓器和濾波器

在惠州抽水蓄能電站進(jìn)出線(xiàn)端都裝有輸入輸出變壓器，對(duì)整個(gè)變頻裝置具有一定的隔離作用，已經(jīng)慮除了具有零序特性的3 次及高次諧波的影響。針對(duì)不同次數(shù)的高次諧波，需安裝不同的濾波器，不僅增加了設(shè)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(dāng)會(huì)發(fā)生過(guò)電壓，電容器也會(huì)發(fā)生漏電等故障，應(yīng)而降低了運(yùn)行的可靠性?？紤]到目前SFC 一次側(cè)設(shè)備均已成型，加裝隔離變等一次設(shè)備的可能性較小。

2）更改廠用電的供電方式

SFC 的進(jìn)線(xiàn)電源與#1 廠高變電源分開(kāi)。即當(dāng)SFC 進(jìn)線(xiàn)電源由#1 主變供電時(shí)，#1 廠高變由#3 主變供電，當(dāng)SFC 進(jìn)線(xiàn)電源切換至#3 主變供電時(shí)，#1廠高變由#1 主變供電。SFC 進(jìn)線(xiàn)電源供電開(kāi)關(guān)選擇在泵工況起動(dòng)LCU 中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)#1 或#3 主變中有一臺(tái)主變退出運(yùn)行時(shí)，所有廠用電由#2 廠高變供電。

3）從接線(xiàn)設(shè)計(jì)上減少諧波對(duì)廠用電的污染

電壓總畸變率的控制，關(guān)鍵是SFC 在站內(nèi)的公共連接點(diǎn)PCC1，在系統(tǒng)為最小運(yùn)行方式下，且電廠內(nèi)無(wú)機(jī)組運(yùn)行的情況下，求出PCC1點(diǎn)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(wú)廠家數(shù)據(jù)時(shí)，可按發(fā)電電動(dòng)機(jī)容量的6%～8%估算?；菪顝S用電接線(xiàn)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(jīng)限流電抗器接于主變低壓側(cè)。從直觀上也可以看出，SFC 所產(chǎn)生的諧波電壓都受限流電抗器所阻擋而反應(yīng)到廠用變的電源側(cè)，并傳遞到廠用電負(fù)荷上。如果采用圖4（b）的接線(xiàn)方式，PCC1在機(jī)端，但SFC 與高壓廠用變壓器分別經(jīng)限流電抗器匯合，SFC 產(chǎn)生的諧波電壓經(jīng)兩級(jí)電抗器降落才傳遞到廠用變，所以諧波對(duì)廠用電影響較小。

圖4 廠用電接線(xiàn)示意圖

3 結(jié)論

由于大功率變頻技術(shù)迅速發(fā)展，使得蓄能電站采用變頻起動(dòng)方式，無(wú)論在可靠性、經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性等方面都是其他起動(dòng)方式所難以比擬的，因而變頻起動(dòng)得到廣泛采用，我國(guó)近年建設(shè)的蓄能電站都采用了這種起動(dòng)方式。變頻起動(dòng)過(guò)程的諧波考核就是其中的一個(gè)方面，變頻起動(dòng)裝置的容量比電站內(nèi)其他非線(xiàn)性負(fù)荷大得多，可以把它看成是站內(nèi)惟一的諧波源。在抽水蓄能電站連入超高壓電網(wǎng)的路徑中，再?zèng)]有其他可以與SFC 容量相比擬的諧波負(fù)荷，因此在SFC 與電站對(duì)側(cè)超高壓母線(xiàn)之間，其他非線(xiàn)性負(fù)荷可以略去不計(jì)，也就是說(shuō)在電站與系統(tǒng)連接范圍內(nèi)，SFC 也是惟一的諧波源。既要保證0.38kV用戶(hù)的電壓畸變不超標(biāo)，又要確保流入電網(wǎng)的諧波電流不大于允許值，這些將是限制蓄能電站SFC 對(duì)電力用戶(hù)污染的基本要求。前者是保護(hù)電廠內(nèi)的用電設(shè)備，后者是保護(hù)系統(tǒng)的用戶(hù)。因此從概念上、諧波限制控制點(diǎn)和限制指標(biāo)上以及接線(xiàn)優(yōu)化等方面做些工作，提出一些指導(dǎo)性或參考性的意見(jiàn)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(guó)忠,楊成林,楊建軍,徐德鴻.抽水蓄能電站變頻起動(dòng)裝置的諧波抑制探討[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002(11).

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