引黄工程平鲁泵站接入系统及干线扩机后谐波分析计算

候媛媛

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001）

引黄工程平鲁泵站接入系统及干线扩机后谐波分析计算

候媛媛

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001）

阐述了随着变频调速技术的日益成熟，变频器驱动交流电动机的变频调速系统已成为交流调速的主流，变频调速系统作为供电网的主要谐波源之一，对其进行谐波分析是必要的。针对万家寨引黄工程平鲁泵站及各干线的变频调速机组进行谐波分析计算，结果表明泵机投运后会对电网造成谐波污染，建议控制变频机组同时投运数量，并且在变频装置中装设滤波器。

引黄工程；变频调速；谐波

0 引言

高压变频器整流侧谐波污染是必须关注的电能质量问题。变频装置整流桥的交流侧是谐波电流源，谐波电流注入电网，使供电系统各处电压产生谐波分量，有可能和供电系统形成并联谐振或串联谐振。若谐振频率等于或接近于系统中存在的某次谐波频率，还可能引起更为严重的谐波放大问题。所以，较大容量的变频装置接入供电系统前，应进行谐波分析研究，预测谐波量的大小和所产生的危害，并提出相应的抑制措施。

1 变频器的谐波危害

在交流变频调速方式中，变频器作为一种频率可变的交流电动机驱动器，因其节能效果明显、精度高、运行可靠、维护简单等优点，已经广泛应用于电力、机械、工业、生活等各个领域中。但变频器主要组成器件是电力电子元件，具有非线性特性及其冲击性用电工作方式，会产生大量谐波，严重干扰电力系统运行，所以变频器谐波问题日益引起人们的关注。

a）谐波对供电线路产生附加谐波损耗，谐波线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

b）谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机会产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的电流变化率，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。

c）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；谐波对其他系统及电力用户危害也很大，如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作[1]。

2 引黄工程平鲁泵站及干线扩机方案

2.1 平鲁泵站

万家寨引黄工程位于山西省西北部，由取水首部总干线、南干线、北干线和联接段等四部分组成。

北干线近期年引水量为2.96×108m3，相应引水流量11.8m3/s。工程需要在朔州市平鲁区新建大梁水库及平鲁地下泵站。该泵站是输水北干线上的扬水泵站，装机5台，单机容量1 700 kW，运行方式为4用1备。

平鲁泵站供电电源按2回110 kV供电线路设计。主供电源引自井坪110 kV站，备用电源由下土寨供给。正常运行方式时只投入井坪1回线路，下土寨侧备用。

2.2 干线扩机方案

引黄工程一期各泵站装机3台，装机总容量为163.5MW/15台，其中运行109MW/10台。

作为年运行达7 300 h的梯级工业供水工程，为供水保证率和可靠性，同时考虑事故备用和检修备用，本次设计引黄工程引水规模时，总干线各泵站确定增加装机2台，共装机5台，其中总干一、二级泵站运行容量分别为48MW/4台，总干三级泵站运行容量为26MW/4台；南干一、二级泵站各增加装机1台，共装机4台，运行容量分别为36MW/3台。

沿线各泵站的两路电源均由方城220 kV变电站110 kV母线供出。详见扩机后的引黄工程供电系统图1。

图1 引黄工程供电系统简图

3 引黄工程变频调速机组

3.1 变频器模型

目前市场上所推崇的效率高、节能效果较好的变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。

移相变压器是多脉波二极管/晶闸管整流器不可缺少的组成部分，它具有三个功能：实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移以消除谐波；变换得到需要的二次侧电压值；实现整流器与电网间的电气隔离[2]。

功率模块为基本的交—直—交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，而其主电路的核心技术均是基于绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）器件的H桥串联逆变器。通过对IGBT逆变桥进行正弦脉冲宽度调制SPWM（Sine PulseWidth Modulation） 控制，可得到单相交流输出。每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换。功率模块波形相互之间存在一定次序的相位差，串联后三相星型接法输出可得到系统输出的阶梯型正弦波。

H桥多电平串联高压变频器基本工作原理：由电网送来的三相10 kV交流电经过隔离移相变压器供给每相5个共计15个单相IGBT逆变器功率单元，本相上的5个功率单元输出的SPWM波相叠加后，采用星形连接，将形成线电压为10 kV的高质量的正弦波输出，供给电机。功率单元采用交—直—交变频技术，三相输入、单相输出，大大提高了工作的可靠性[3-4]。

3.2 变频装置配置

根据引黄工程供水要求和各级泵站间流量平衡的需要，为避免溢流和弃水，降低损耗，目前已分别在总干和南干各装设部分变频调速机组，其中一期输水工程总干三级站和南干一、二级站各装设2台变速机组，其中1台变速机组与1台定速机组并联运行，另1台变速机组备用。

设计引黄工程引水规模时，已确定总干线各泵站增加装机2台，其中总干一、二级泵站运行4台，仍然全部为定速机组；总干三级站运行4台，装设3台变速机组（加装的1台变频装置暂与一期配置相同），考虑2台变速机组与2台定速机组并联运行，另1台变速机组备用；南干一、二级泵站各增加装机1台，运行容量分别为36 MW/3台，仍为2台变速机组，考虑2台定速机组与1台变速机组并联运行，另1台变速机组备用。

由于总干一、二和南干一、二级站机组容量较大，直接起动电压降已达15%以上，目前在总干一、二级泵站各装设有1台起动变频装置，确定本期再各加装1台；而南干一、二级泵站的变频驱动装置兼作定速机组起动变频装置。

平鲁泵站设计采用异步电动机机型，单机容量1 700 kW，总装机容量8 500 kW/5台，远期运行4台，配套装设4台变频装置用以起动或驱动。见图1。

4 谐波分析计算

4.1 谐波电流与电压计算[5]

4.1.1 谐波电流计算

谐波电流允许值修正公式

式中：In1——修正后的n次谐波电流允许值；

In2——按基准短路容量计算的注入公共连接点的n次谐波电流允许值；

Sd1——监视点的短路容量；

Sd2——基准短路容量。

4.1.2 谐波电压计算

第h次谐波电压含有率Hhru与第h次谐波电流分量Ih的关系

式中：Hhru——第h次谐波电压含有率，%；

UN——电网的标称电压，kV；

Ih——第h次谐波电流，A；

Sk——公共连接点的三相短路容量，MVA。第h次谐波电压

4.2 变频器输出谐波对异步电机的影响

引黄工程采用的泵机类型为异步电动机。在变频调速系统中，异步电动机作为变频器主要的负载存在于系统中。变频器在运行时，回路内的开关元件会有规律地开通与关断而产生大量的谐波，使电能质量下降，给电机带来较大影响，严重时可造成异步电机的损坏。因而分析变频器输出谐波影响应首先考虑对电动机的影响[6]。

4.3 引黄工程变频机组谐波计算

4.3.1 谐波计算程序及模型

谐波计算分析使用的程序，是从加拿大CYME公司引进的Cymharmo3.0版本。该程序具有编辑、计算、绘图等功能，可计算谐波阻抗及串并联谐振点、谐波潮流及谐波指标、谐波电压灵敏度分析、通信线感应电压及噪声水平等，被许多国家广泛应用于计算实际工程问题。

为了较准确地模拟谐波特征指标，网络元件采用如下几种模型。

同步机模型：同步电机的谐波模型为Norton等值回路，包括一个基频电流源，并联一个阻抗，该阻抗定义了在谐波频率下发电机吸收电流的特性（发电机阻抗不吸收任何基频电流）。

分布参数输电线路：R为单位长度串联电阻；X为单位长度串联电抗；B为单位长度并联电导；Lg为输电线路长度。

变压器模型：在Cymharmo程序中，认为固定分接头变压器、移相变压器等均由带阻抗的理想变压器来模拟，阻抗由电阻R和电感L来决定。不包括并联励磁之路，假设励磁支路为高阻抗支路，也不考虑电阻的集肤效应。

谐波源模型：采用多频率电流源模型。按照30脉冲变频器整流侧输入的特征谐波频谱，计算输出侧谐波电压畸变率及各次谐波电流值。

4.3.2 平鲁泵站谐波计算

按照大梁平鲁泵站接入点电网最小短路容量，考虑4台异步变速机组同时运行，以平鲁接入井坪方式计算的注入井坪110 kV母线谐波电流允许值、计算值及各母线谐波电压总畸变率见表1、表2、表3。

表1 注入井坪110 kV母线谐波电流允许值 A

表2 平鲁接入井坪母线谐波电流计算值 A

表3 平鲁接入井坪站各母线谐波电压畸变率

当平鲁泵站接入井坪110 kV变电站时：平鲁站10 kV母线的电压总谐波畸变率Tthd为11.12%，超过了国家标准的限值。其余母线Tthd均低于标准限值。谐波源注入点（井坪）各次谐波电流值也在允许值范围内。

为滤除谐波和无功补偿的需要，在平鲁站10kV母线加装了0.2Mvar的5次滤波器。从计算结果可知，加装滤波器后，平鲁站10 kV母线的Tthd降为3.02%，在允许范围（4%）之内。加滤波器后的谐波电压畸变率见表4。

表4 加装滤波器后各母线谐波电压畸变率

4.3.3 考虑总干一级泵站起动变频装置的谐波计算

以平鲁泵站接入井坪考虑，按照总干一、二级泵站为串联运行的特点，总干一级站先加装1台变频装置用以水泵机组起动。

注入方城220 kV站110 kV母线谐波电流允许值如表5所示。谐波源注入方城变110 kV母线的各次谐波电流及相关母线谐波电压总畸变率计算结果详见表6和表7。

表5 注入方城110 kV母线谐波电流允许值 A

表6 注入方城110 kV母线谐波电流计算结果 A

表7 总干一级站加起动变频装置各母线谐波电压畸变率

总干一、二级站110 kV母线的电压总谐波畸变率Tthd分别为2.11%、2.08%，略超过了国家标准限值2%的允许范围。谐波源注入点方城220 kV站110 kV母线Tthd为0.97%，远低于标准限值；其各次谐波电流也均在允许范围内，满足谐波含量要求。

为了抑制谐波超标，在总干一级站变频起动装置中装设了少量滤波器。由表8可看出，加装滤波器后，总干一、二级站110 kV母线的Tthd分别降为1.29%、1.31%，均在允许范围内。加滤波器后的谐波电压畸变率见表8。

表8 加装滤波器后各母线谐波电压畸变率

4.3.4 谐波计算结果分析

从谐波计算结果可以看出，计算网络按照4台1 700 kW异步机变速机组接入平鲁站10 kV母线，不加滤波器，其母线已超出了《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）规定的标准限值。在平鲁站10 kV侧加装少许容量滤波器，其母线Tthd即能降为允许范围（4%）之内，满足谐波含量要求。另外，只要配备相应的滤波装置，总干一、二级泵站使用变频起动方式可以满足谐波要求，对电网没有大的影响。

5 结束语

根据对万家寨引黄工程平鲁泵站及干线变频机组并网进行谐波分析计算看出，异步变频调速机组投运后会对电网造成谐波污染，建议控制变频机组同时投运数量以减少谐波源，同时需在变频装置中装设少量滤波器，即可以防止附近母线电压和电流产生大的波形畸变，从而保持电网运行的稳定性。

［1］ 杨承昌.变频器谐波危害及对策［J］.机械工程与自动化，2010（6）：205-208.

［2］ 加拿大BinWu著.大功率变频器及交流传动［M］.北京：机械工业出版社，2007：65-115.

［3］ 吴忠智，吴加林.变频器原理及应用指南［M］.北京：中国电力出版社，2007：181-221.

［4］ 刘凤君.完美无谐波高压IGBT变频器［J］.电源技术应用，2001（9）：421-427.

［5］ 能源部电力司.GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波［S］.北京：国家技术监督局，1993：1-6.

［6］ 段峻.工业变频器对电网及负载的谐波影响及分析［D］.西安：陕西科技大学，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，山西晋城人，2008年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士研究生，工程师，从事电力系统规划设计工作。