李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中電子開關(guān)型諧波源分析

李虎

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222042）

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中越來越多采用電子開關(guān)型設(shè)備，不可避免的引入諧波污染。綜合考慮發(fā)電廠中4種電子開關(guān)型諧波源，分別對(duì)其進(jìn)行了理論研究與仿真分析，并通過對(duì)某發(fā)電廠6 kV廠用電母線進(jìn)行整體仿真分析諧波源對(duì)母線的影響。結(jié)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(huì)對(duì)母線產(chǎn)生較大影響。實(shí)際測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了理論與仿真的正確性。

廠用電系統(tǒng)；電子開關(guān)型諧波源；仿真；諧波污染

0 引言

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

目前發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中越來越多使用電子開關(guān)型設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生大量諧波污染［2-3］，諧波可能造成損耗增加、保護(hù)誤動(dòng)作和計(jì)量?jī)x器不準(zhǔn)確［4-8］。諧波是電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)電廠發(fā)電機(jī)出口以及廠用母線的諧波分量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與治理非常必要。目前已有部分針對(duì)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)諧波污染的研究，如文獻(xiàn)［9-14］都是針對(duì)發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的諧波的分析與抑制，但這些研究或是只針對(duì)某單一諧波源進(jìn)行分析，或是只做概述型定性分析而未進(jìn)行具體研究。

本文綜合考慮發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中多類主要的電子開關(guān)型諧波源，針對(duì)每類諧波源進(jìn)行具體理論與仿真分析，可作為發(fā)電廠出具具體諧波治理方案、投運(yùn)新設(shè)備前進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估等工作的理論依據(jù)，具有較好的參考價(jià)值。

1 發(fā)電廠電子開關(guān)型諧波源分析

發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的電子開關(guān)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(diǎn)火器、不間斷電源（UPS）。下面對(duì)以上4類諧波源進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹與分析。

1.1 高壓變頻器

發(fā)電廠中的高壓變頻器主要用于電機(jī)變頻調(diào)速，某6 kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為3組。根據(jù)電壓等級(jí)和單元串聯(lián)級(jí)數(shù)，一般由24，30，36，48，54脈沖系列等構(gòu)成多級(jí)移相疊加的整流方式，通過電流多重化技術(shù)減少對(duì)電網(wǎng)反饋的諧波，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

1.2 低壓變頻器

低壓變頻器電壓等級(jí)一般在1 kV以下，某帶有進(jìn)線濾波器的400V低壓變頻器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中所示的400 V低壓變頻器的輸入側(cè)是6脈動(dòng)的三相整流橋，低壓變頻器對(duì)電網(wǎng)有很高的諧波噪聲影響，線電流中含諧波次數(shù)為n×6±1，其中n為1，2，3等整數(shù)?？傊C波電流畸變率（THD）為30%～45%，可以通過安裝濾波器或12脈動(dòng)的方式來減小諧波含量，最小諧波電流含量可以達(dá)到10%。圖2中低壓變頻器由于增加了網(wǎng)側(cè)進(jìn)線濾波器，輸入側(cè)的諧波得以濾除，但在運(yùn)行時(shí)，也會(huì)通過輸出側(cè)向電網(wǎng)注入一定數(shù)量的諧波電流。低壓變頻器一般是對(duì)系統(tǒng)注入諧波的電流的主要因素。

1.3 等離子點(diǎn)火器

等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)由隔離變壓器和電源柜2大部分組成。電源柜內(nèi)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(diào)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(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 某低壓變頻器結(jié)構(gòu)

等離子點(diǎn)火器整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中V1～V6共6個(gè)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(yáng)極組的串聯(lián)，因此整流電路在任何時(shí)刻都必須有2個(gè)晶閘管導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路，其中1個(gè)晶閘管是共陰極的，另1個(gè)晶閘管是共陽(yáng)極的，所以必須對(duì)2組中要導(dǎo)通的1對(duì)晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖。整流器采用雙脈沖觸發(fā)方式，即在觸發(fā)某＃1晶閘管的同時(shí)給前＃1晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用2個(gè)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(zhuǎn)換開關(guān)等組成。此類設(shè)備采用三相橋式二極管整流結(jié)構(gòu)，經(jīng)直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)后，再進(jìn)行PWM逆變。某100 kV·A不間斷電源的整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 等離子點(diǎn)火器整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 UPS整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

2 發(fā)電廠電子開關(guān)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(shí)際運(yùn)行時(shí)的頻率調(diào)節(jié)范圍為45～55Hz，電機(jī)機(jī)端電壓變化范圍為5.4～6.0 kV。根據(jù)高壓變頻器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，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(duì)網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的影響，仿真結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 高壓變頻器進(jìn)線電流仿真波形

圖6 高壓變頻器進(jìn)線電流諧波百分比

圖5為高壓變頻器的A相進(jìn)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(jí)移相疊加的整流方式，不僅解決了器件的耐壓?jiǎn)栴}，還通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，該電流多重化技術(shù)減少了對(duì)電網(wǎng)反饋的諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。

圖6為高壓變頻器A相進(jìn)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(duì)較大的諧波出現(xiàn)在6 k±1（k為正整數(shù)）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(gè)單元的輸入側(cè)的不控整流注入的諧波電流相互疊加，從而抵消了輸入側(cè)的某些頻次電流諧波。

2.2 低壓變頻器仿真分析

對(duì)圖2中的400 V低壓變頻器進(jìn)行仿真分析，根據(jù)其結(jié)構(gòu)與參數(shù)在仿真軟件PSCAD 4.2中搭建加入進(jìn)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(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 低壓變頻器進(jìn)線電流仿真波形

圖8 低壓變頻器進(jìn)線電流諧波百分比

圖7為400V低壓變頻器的A相進(jìn)線電流仿真波形，可見實(shí)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(yùn)行的情況下，輸入側(cè)的諧波電流也相應(yīng)增大。

圖8為400V低壓變頻器A相進(jìn)線電流諧波百分比，根據(jù)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(shù)，但由于增加了進(jìn)線濾波器，仍將電流諧波含量限制在了較低限度內(nèi)。

2.3 等離子點(diǎn)火器仿真分析

根據(jù)圖3所示的結(jié)構(gòu)在PSCAD 4.2中搭建等離子點(diǎn)火器的整流柜模型，具體參數(shù)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(jié)果如圖9～10所示。

圖9 等離子點(diǎn)火器進(jìn)線電流仿真波形

圖10 等離子點(diǎn)火器進(jìn)線電流諧波百分比

圖9為等離子點(diǎn)火器A相進(jìn)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(diǎn)火器A相進(jìn)線電流諧波含量百分比，產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)為6 k±1（k為正整數(shù)）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(huì)產(chǎn)生7，11等次的諧波電流。但由于等離子點(diǎn)火器電壓較低，容量較小，所以對(duì)高壓母線影響不是很大。

2.4 不間斷電源（UPS）仿真分析

根據(jù)圖4中的12脈波整流器結(jié)構(gòu)與參數(shù)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(jié)果如圖11～12所示。

圖11 UPS進(jìn)線電流仿真波形

圖12 UPS進(jìn)線電流諧波百分比

圖11為UPS的A相進(jìn)線電流波形，其波形接近正弦。圖12為UPSA相進(jìn)線電流諧波含量百分比，產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)為12 k±1（k為正整數(shù)）次，這是因?yàn)?2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(shí)例分析

本節(jié)選擇某火電廠6 kV廠用電母線作為研究實(shí)例進(jìn)行分析，該母線由單臺(tái)主變供電，接入變壓器數(shù)量為2臺(tái)，參數(shù)為50/31.5/31.5MV·A和27/6.3-6.3 kV，母線所連設(shè)備包括高壓水泵、高壓風(fēng)機(jī)、高壓變頻器、等離子點(diǎn)火器、不間斷電源、低壓變頻器等，其中高壓變頻器、等離子點(diǎn)火器、不間斷電源、低壓變頻器屬于電子開關(guān)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(fù)載為20MV·A，將所有電子開關(guān)型諧波源滿載加入母線，仿真結(jié)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(jié)果表明，雖然某些諧波源THD較大，但由于其功率相對(duì)母線功率很小，所以產(chǎn)生的諧波污染較小，符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［15］。

圖14 6 kV母線電流諧波幅值

3.2 母線諧波實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)該發(fā)電廠廠用電母線編號(hào)為6 kV-61B、6 kV-62B的兩段母線進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，本次諧波檢測(cè)時(shí)間為兩段母線分別持續(xù)40 min，測(cè)試周期為0.25 s，統(tǒng)計(jì)周期為40min。測(cè)試過程中用戶大部分設(shè)備投入工作，負(fù)荷在15MV·A左右。

通過對(duì)各時(shí)段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，華能金陵電廠標(biāo)號(hào)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(jié)中仿真結(jié)果相符，達(dá)到了規(guī)定的6 kV電壓等級(jí)電壓總諧波畸變率低于4.0%的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文就發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的電子開關(guān)型諧波源進(jìn)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(diǎn)火器、不間斷電源四種類型的諧波源，并分別對(duì)其進(jìn)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(jìn)線濾波器、電流多重化等技術(shù)減小諧波，或是由于本身容量較小，對(duì)廠用電母線影響一般能控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，實(shí)例測(cè)量結(jié)果也驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。對(duì)發(fā)電廠廠用電諧波分析與治理具有一定參考價(jià)值。

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（本文責(zé)編：齊琳）

TM 621.3

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1674-1951（2016）11-0030-05

李虎（1985—），男，江蘇徐州人，工程師，從事電氣相關(guān)運(yùn)行和生產(chǎn)準(zhǔn)備方面的工作（E-mail：zhendong＿ji＠126.com）。

2016-06-15；

2016-09-30