魏錫年

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

由于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組具有熱效率高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)電廠中聯(lián)合循環(huán)電站占有一定比例。燃機(jī)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)一套啟動(dòng)裝置拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，完成燃機(jī)升速、吹掃、點(diǎn)火、加速等過(guò)程，這套啟動(dòng)裝置通常被稱(chēng)作靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置(static frequency converter，SFC)，這是一套變頻驅(qū)動(dòng)裝置。在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，尤其是燃機(jī)機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組給中壓母線供電，此時(shí)廠用電短路容量較小，諧波電流對(duì)其它負(fù)荷的影響更為明顯，為了滿(mǎn)足諧波電流不超過(guò)黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組的允許值，需要設(shè)置濾波裝置。本文著重分析SFC運(yùn)行時(shí)中壓母線諧波電流大小以及如何加以治理。

1 工程概況

某國(guó)外聯(lián)合循環(huán)燃機(jī)發(fā)電項(xiàng)目，建設(shè)兩套F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，燃機(jī)發(fā)電機(jī)功率為450 MW，每臺(tái)機(jī)組配置1套SFC，隔離變壓器額定容量3 350 kVA，啟動(dòng)時(shí)，最大容量可以達(dá)到7 200 kVA，電源來(lái)自廠用電6.6 kV母線，配置黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組5臺(tái)，總功率為8 000 kW，作為燃機(jī)機(jī)組黑啟動(dòng)電源，燃機(jī)機(jī)組電氣主接線如圖1所示(其它負(fù)荷從略)。

圖1 燃機(jī)機(jī)組電氣主接線

2 SFC諧波源分析

關(guān)于電力系統(tǒng)的諧波電壓、諧波電流限值，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》[1]有明確規(guī)定，各標(biāo)稱(chēng)電壓的諧波電壓限值見(jiàn)表1所列，注入連接點(diǎn)各次諧波電流限值見(jiàn)表2所列。

表1 各標(biāo)稱(chēng)電壓的諧波電壓限值

表2 注入連接點(diǎn)各次諧波電流限值

當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表2基準(zhǔn)短路容量時(shí)，需要按照下式修正諧波電流允許值：

式中：Sk2為基準(zhǔn)短路容量，見(jiàn)表2；Sk1為實(shí)際最小短路容量，MVA；Ihp為與基準(zhǔn)短路容量對(duì)應(yīng)的各次諧波電流限值，A；Ih為與實(shí)際最小短路容量對(duì)應(yīng)的各次諧波電流限值，A。

燃機(jī)啟動(dòng)速度曲線如圖2所示。燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)SFC輸出電流、視在功率、視在容量曲線如圖3所示。SFC運(yùn)行時(shí)各次諧波含量如圖4所示。

圖2 燃機(jī)啟動(dòng)速度曲線

圖3 SFC輸出電流、視在功率、視在容量曲線

圖4 SFC運(yùn)行時(shí)各次諧波含量

本工程配有黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，容量為5×1 600 kW，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組給6.6 kV母線供電時(shí)，6.6 kV母線三相短路容量較小，約為75 MVA，各次諧波電流允許值也較小。以5次諧波為例，計(jì)算諧波電流允許值：

表3 各次諧波計(jì)算值

由黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組給6.6 kV供電時(shí)，SFC負(fù)荷電流：根據(jù)圖4顯示的諧波電流占比，計(jì)算實(shí)際的各次諧波電流。

I'5h=630×20%=126 A，其它各次諧波計(jì)算方法類(lèi)似，計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表3所列。

3 建立諧波源模型

在電力系統(tǒng)中，電力電子裝置是主要的諧波源，這些裝置工作時(shí)，不僅消耗大量的無(wú)功功率，而且會(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)大量的諧波電流，不同類(lèi)型的電力電子裝置產(chǎn)生的各次諧波電流大小有差異、從2次諧波到高次諧波均有分布。本項(xiàng)目SFC使用了6脈沖變頻器，根據(jù)設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)，在ETAP建立諧波源模型，變頻器諧波源波形、頻譜圖參如圖5所示。

圖5 變頻器諧波源波形、頻譜圖

在ETAP軟件中運(yùn)行諧波分析模塊，計(jì)算結(jié)果如圖6所示 濾波裝置投入前6.6 kV母線電壓畸變率，從圖中可以看出6.6 kV母線電壓畸變率為25.84%，已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，必須治理。

圖6 濾波裝置投入前6.6 kV母線電壓畸變率

4 諧波治理

電力系統(tǒng)中存在大量諧波電流可能導(dǎo)致諸多問(wèn)題如：增加線路損耗、電纜過(guò)熱、絕緣老化；電動(dòng)機(jī)效率降低，產(chǎn)生更大的震動(dòng)和噪音，縮短電動(dòng)機(jī)壽命；增加電力儀表測(cè)量誤差；零序諧波可導(dǎo)致中性線電流過(guò)大，造成中性線過(guò)熱[2]。針對(duì)各種諧波，可以采用無(wú)源電力濾波器或有源電力濾波器，補(bǔ)償高次諧波電流，達(dá)到治理的目的。

無(wú)源電力濾波器又稱(chēng)LC濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除了可以濾除諧波之外，還兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?。根?jù)電路的電感、電容元件的數(shù)量和接線型式不同，無(wú)源電力濾波器可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等。

如圖7(a)所示，是單調(diào)諧濾波器的電路原理圖，單調(diào)諧濾波器對(duì)n次諧波(ωn=nωs)的阻抗：

圖7 單調(diào)諧濾波器

式中：Zfn表示n次單調(diào)諧濾波器阻抗，Ω；ωs為基波角頻率，rad/s。

畫(huà)出濾波器阻抗隨頻率變化的關(guān)系曲線，如圖7(b)所示。

單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)LC諧振原理構(gòu)成的，其諧振次數(shù)：

在諧振點(diǎn)處，Zfn=R，由于R很小，n次諧波電流主要由濾波回路分流，很少流入供電網(wǎng)絡(luò)中，而對(duì)其它次數(shù)的諧波電流，Zfn＞＞R，濾波回路分流很少。因此，只要通過(guò)合理選擇濾波電容器電容值C、濾波電抗器電感L，使其諧振次數(shù)n與需要濾除的諧波次數(shù)保持一致，則該次諧波電流將大部分流入濾波器，則消除了大部分該次諧波電流。

濾波電容器、濾波電抗器的參數(shù)偏差或變化，會(huì)導(dǎo)致單調(diào)諧濾波器的諧振頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致濾波器失真；電源阻抗變化也會(huì)對(duì)單調(diào)諧濾波器的濾波效果產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)?dǎo)致電源阻抗與單調(diào)諧濾波裝置發(fā)生并聯(lián)諧振，這是單調(diào)諧濾波器的不足。

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率的電力電子裝置，由電力電子元件和DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測(cè)負(fù)載諧波電流并主動(dòng)提供對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償后的電源電流幾乎為純正弦波[3]。有源電力濾波器明顯的缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，并且目前僅有低壓有源電力濾波器，對(duì)于中壓系統(tǒng)，則需要增加變壓器，采用低壓高掛的方式接入6.6 kV母線，濾波效果不是很理想。

GB/T 31038—2014《高電壓柴油發(fā)電機(jī)組通用技術(shù)條件》[4]中規(guī)定，6.6 kV柴油發(fā)電機(jī)組輸出的線電壓畸變率不應(yīng)大于5%，而黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組供貨商提出的要求較為寬松，要求6.6 kV母線的電壓總諧波畸變率不能超過(guò)8%。有源電力濾波器造價(jià)較高，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，本項(xiàng)目配置無(wú)源電力濾波器作為治理諧波的設(shè)備較為合理。

在ETAP軟件中建立模型，并設(shè)置了5次、7次、11次和13次單調(diào)諧濾波器，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表4所列。運(yùn)行ETAP諧波分析程序，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所列和如圖8所示。對(duì)比單調(diào)諧濾波投入前后數(shù)據(jù)，可以看出，單調(diào)諧濾波器投入后，各次諧波量均有大幅度降低，母線電壓畸變率降為5.94%，可以說(shuō)諧波電流得到了大幅度抑制，單調(diào)諧濾波器的抑制諧波效果非常明顯。

表4 單調(diào)諧濾波器參數(shù)表

表5 單調(diào)諧濾波器投入后計(jì)算結(jié)果

圖8 濾波裝置投入后6.6 kV母線電壓畸變率

在ETAP軟件中截取的6.6 kV母線阻抗頻率特性如圖9所示。從圖中可以看出，對(duì)于5次、7次、11次和13次諧波，母線阻抗沒(méi)有到零，表示對(duì)于這些次諧波，并不會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振。這也是配置單調(diào)諧濾波器時(shí)需要注意的問(wèn)題。

圖9 濾波裝置投入后6.6 kV母線阻抗頻率特性圖

每個(gè)單調(diào)諧濾波器每相由濾波電容器與濾波電抗器串聯(lián)，三個(gè)單相接成Y型組成三相電路，中性點(diǎn)絕緣，含開(kāi)口電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)保護(hù)繼電器。電容器組并接放電線圈，各濾波回路接入避雷器。設(shè)置有濾波器自動(dòng)控制系統(tǒng)，可根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功需求自動(dòng)投入退出單調(diào)諧濾波器組。

與5次、7次、11次和13次諧波單調(diào)諧濾波器對(duì)應(yīng)，設(shè)置4面6.6 kV濾波器投切柜，每面開(kāi)關(guān)柜內(nèi)安裝一臺(tái)C2級(jí)真空斷路器，滿(mǎn)足容性電流的開(kāi)合與分段要求。電容器、電抗器框架式安裝，布置在單獨(dú)的房間內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

燃機(jī)機(jī)組黑啟動(dòng)工況，黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組給6.6 kV母線供電，6.6 kV母線三相短路容量較小，SFC作為諧波源，其運(yùn)行時(shí)會(huì)造成燃機(jī)機(jī)組6.6 kV母線電壓總畸變率嚴(yán)重超標(biāo)，在6.6 kV母線上安裝多組單調(diào)諧濾波器可以大幅度補(bǔ)償諧波電流，起到治理諧波的目的，同時(shí)可以補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。

單調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，本工程安裝了4組單調(diào)諧濾波器后，母線電壓總畸變率滿(mǎn)足黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求，并且每次SFC運(yùn)行時(shí)間約240 s，時(shí)間很短，所以本工程采用單調(diào)諧濾波器作為諧波治理裝置是非常適用的。