惠州抽水蓄能电站变频起动谐波分析

周艳青

（广东省电力设计研究院，广州 510663）

随着电力电子变频的技术的迅速发展，抽水蓄能电站一般采用静止变频装置（Static Frequency Converter，SFC）起动方案，具有速度快、可靠性高、维护工作量少、对系统影响小等优越性，但SFC作为电力电子变频系统，具有非线性系统的特性，在投入运行时会在电网中产生谐波，对电网造成较大的污染。

1 惠州抽水蓄能电站厂用电接线方式

惠州抽水蓄能电站位于广东省惠州市博罗县境内，直线距广州112km。上库为范家田水库，正常蓄水位762m，死水位740m，有效库容2739.7 万m3。下库为礤头水库，正常蓄水位231m，死水位205m，有效库容2766.6 万m3，具有周调节能力。平均毛水头534m，输水道总长4454m，L/H=8.3。单机容量300MW，总装机容量2400MW，A、B 厂各布置四台机组，四机共用一套SFC 起动装置，每套SFC 容量23.5MVA，约为单机容量的7%。

电站厂用电正常工作方式为：由#1，#2 厂高变分别向10kV 的公用A，B 段母线供电，而#1，#2厂高变电源分别取自#1，#2 主变低压侧。SFC 进线电源取自#1 主变低压侧。即SFC 电源和10kV 公用A 段以及与此连接的400V 配电系统均由#1 主变供电。此部分的400V 配电系统包括：400V 主Ι 主ΙΙ配电盘Ι 段、500kV 开关站配电盘、照明盘、#1 至#4 机组动力盘Ι 段进线、空压机配电盘直流配电盘及主变配电盘ΙΙ 段等。SFC 进线电源取自#1 主变低压侧，SFC 辅助电源(400V)取自主变配电盘60LKA001TB 的Ι 段母线，而60LKA001TB 的Ι 段母线取自400V 盘柜10LKA001TB 的ΙΙ 段母线，正常方式时辅助电源与SFC 进线电源不是取自同一主变。如图1所示。

由于受东莞Ι、ΙΙ 出线施工影响，厂用电需向象山站反送电，2009年6月13日进行了厂用电倒换。经厂用电倒换后，我厂所有400V 厂用电均由#1 主变供电，即SFC 进线侧电源与SFC 辅助电源均取自同一主变侧。

2 SFC 起动时谐波对厂用电系统的影响

2.1 事件经过

2009年6月13日22：45，在厂用电倒换后试起动SFC 拖动#2 机组过程中，出现“Power supply fault”报警，接着SFC 系统内部发出“electrical stop”命令，SFC 起动失败。初步分析原因为：由于SFC 进线侧电源与SFC 辅助电源均取自同一主变侧，在起动过程中SFC 产生的谐波直接影响到其辅助电源，因此SFC 交流电源电压监视继电器FV375 由于电压畸变失磁，发出“Power supply fault”报警。将SFC 交流电源监视继电器-FV375 用作报警和跳闸的辅助接点短接，即继电器-FV375 的21 和24、-X05 端子的75 和76。重新起动SFC 拖动#2 机组成功，同时现场观测电压继电器FV375 在起动过程中频繁动作。

2009年6月19日02:24 #2 机组泵工况起动失败。当机组转速达到30%左右时，励磁系统出现二级故障跳机。检查event log 及现地故障信息，分析原因为：由于SFC 起动过程中由于谐波影响使400V厂用电电压畸变（谐波含量9.3%），励磁冷却风扇电源电压继电器K94 未能正常励磁，可控硅桥冷却风扇未能正常起动，2:24:26 时可控硅桥U22 温度高，可控硅桥U22 故障，切换至U21，2:24:31 时，继电器K65，K66 励磁，报2 BR cooling fault 故障，可控硅桥U21 温度保护动作，Thyristor Bridge Nr 1 fault 故障，导致励磁二级故障跳闸。同时，受厂用电电压畸变影响，#2，#4 空压机跳闸，#2 主变冷却器退出运行。

2.2 对厂用电系统进行谐波普查及分析

故障发生后，电气人员在18kV、10kV 以及400V侧录取电压波形进行谐波分析，分别统计见表1。

图1 惠州抽水蓄能电站厂用电接线示意图

表1 18kV、10kV 以及400V 侧电压波形谐波分析

图2 十二脉冲SFC 变频装置拓扑结构图

对于SFC 这种桥式整流装置，从理论上它只产生特征谐波。即在整流桥的电源侧产生的谐波次数为

式中，h为特征谐波次数；p为整流桥脉动数，对于SFC 一般为6 或12；k为整数1，2，3，…。

实际上，由于整流元件导通不一致、相电压不平衡以及其他原因，整流装置还会产生非特征谐波，但一般数值比较小。

惠州抽水蓄能电站SFC 变频起动装置采用12脉冲整流，其整流部分采用两个三相全控整流电路串联组成，共有12 个桥臂，各臂开通时刻的间隔为1/2 基波周期。每个桥的直流电压都是6 脉动的，由于两者的三相交流电压相差30°，串联之后所得到的直流电压是12 脉动的。如图2所示。由h=kp±1，p=12 可知，SFC 变频起动装置产生的特征谐波主要为11、13、23、25 次谐波，从上表可知，SFC 起动时11、13、23、25 次谐波含量较高，与理论定性分析相符。

定量分析：

1）基本参数，取归算基准容量Sb=100MVA。

系统最小运行方式时，电厂500kV 系统短路电抗Xs*=0.00288 和短路容量Sk=Sb/Xs*=100/0.00288= 34722.2MVA。

主变：ST=360MVA，短路阻抗Uk%=14.5%，

归算电抗XT*=0.145×Sb/ST=0.145×100/360=0.04028

SFC 容量：SSFC=23.5MVA。

电抗器：UN=18kV，IN=1250kA，XR=6%

归算电抗：

2）SFC 与厂用变共用连接点的电压总畸变率

接线图及等效电路如图3所示，PCC1 点对系统的短路电抗：

从其中可见，在回路中电抗器的电抗起主导作用，而系统的电抗占较小的比例。

PCC1 对系统的短路容量

PCC1 处的电压总畸变率

图3 厂用电接线及等效电路示意图

对惠州抽水蓄能电站18kV、10kV 以及400V侧实测可知，第11，13，23，25 次谐波含量较高，谐波含量、奇次谐波含量均不满足合同要求。（合同规定：18kV 电压正弦波形畸变率＜4%，奇次谐波电压含量＜3.2%，偶次谐波电压含量＜1.6%）。

国家标准对各级电网的电压总谐波畸变率（THDu）给出的限值见表2。

表2 国标GB/T14549 对公用电网谐波电压限值（相电压）

另外需指出的是，在谐波录取时的几次SFC 起动，均为正常起动，在整个起动过程中仅存在400V系统电压继电器频繁动作的情况，未伴随出现空压机、辅机、励磁等故障信息。也就是说，在SFC 起动失败的几次故障中，谐波含量可能更高。SFC 起动过程中谐波含量的高低以及波形畸变的程度可能与可控硅的触发角度有关。

2.3 针对SFC 变频装置谐波污染提出解决方案

在抽水蓄能电站中，主要的谐波源为SFC 装置，SFC 装置所产生的谐波将影响到抽水蓄能电站其他电气设备，通过主变压器传递到高压侧，影响高压侧下其他用户的正常运行；通过厂用变传递到低压侧，引起厂用电系统电压畸变，影响辅机系统的正常运行。

针对惠州抽水蓄能电站出现的实际情况，提出了三种解决方案。

1）在SFC 变频装置进出线端加装隔离变压器和滤波器

在惠州抽水蓄能电站进出线端都装有输入输出变压器，对整个变频装置具有一定的隔离作用，已经虑除了具有零序特性的3 次及高次谐波的影响。针对不同次数的高次谐波，需安装不同的滤波器，不仅增加了设备成本，而且需要占用较大的空间，另外，滤波器是由电容和电感组成，操作不当会发生过电压，电容器也会发生漏电等故障，应而降低了运行的可靠性。考虑到目前SFC 一次侧设备均已成型，加装隔离变等一次设备的可能性较小。

2）更改厂用电的供电方式

SFC 的进线电源与#1 厂高变电源分开。即当SFC 进线电源由#1 主变供电时，#1 厂高变由#3 主变供电，当SFC 进线电源切换至#3 主变供电时，#1厂高变由#1 主变供电。SFC 进线电源供电开关选择在泵工况起动LCU 中实现。当#1 或#3 主变中有一台主变退出运行时，所有厂用电由#2 厂高变供电。

3）从接线设计上减少谐波对厂用电的污染

电压总畸变率的控制，关键是SFC 在站内的公共连接点PCC1，在系统为最小运行方式下，且电厂内无机组运行的情况下，求出PCC1点的最小短路容量Sk（MVA）；从厂家处得到电厂的SFC 容量SSFC（MVA），若无厂家数据时，可按发电电动机容量的6%～8%估算。惠蓄厂用电接线示意图如图4（a）所示，PCC1在公共限流电抗器之后，即SFC 与厂用变压器汇合后，经限流电抗器接于主变低压侧。从直观上也可以看出，SFC 所产生的谐波电压都受限流电抗器所阻挡而反应到厂用变的电源侧，并传递到厂用电负荷上。如果采用图4（b）的接线方式，PCC1在机端，但SFC 与高压厂用变压器分别经限流电抗器汇合，SFC 产生的谐波电压经两级电抗器降落才传递到厂用变，所以谐波对厂用电影响较小。

图4 厂用电接线示意图

3 结论

由于大功率变频技术迅速发展，使得蓄能电站采用变频起动方式，无论在可靠性、经济性和维护性等方面都是其他起动方式所难以比拟的，因而变频起动得到广泛采用，我国近年建设的蓄能电站都采用了这种起动方式。变频起动过程的谐波考核就是其中的一个方面，变频起动装置的容量比电站内其他非线性负荷大得多，可以把它看成是站内惟一的谐波源。在抽水蓄能电站连入超高压电网的路径中，再没有其他可以与SFC 容量相比拟的谐波负荷，因此在SFC 与电站对侧超高压母线之间，其他非线性负荷可以略去不计，也就是说在电站与系统连接范围内，SFC 也是惟一的谐波源。既要保证0.38kV用户的电压畸变不超标，又要确保流入电网的谐波电流不大于允许值，这些将是限制蓄能电站SFC 对电力用户污染的基本要求。前者是保护电厂内的用电设备，后者是保护系统的用户。因此从概念上、谐波限制控制点和限制指标上以及接线优化等方面做些工作，提出一些指导性或参考性的意见是很有意义的。

[1] 陆佑楣，潘家铮.抽水蓄能电站[M].北京:水利电力出版社，1992.

[2] 宿清华,吴国忠,杨成林,杨建军,徐德鸿.抽水蓄能电站变频起动装置的谐波抑制探讨[J].浙江大学学报(工学版),2002(11).

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