330 MW直接空冷机组380 V空冷段电压总谐波畸变率超标原因分析及处理方法

刘景辉

（神华准能矸石发电公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

0 引 言

随着国家经济的持续发展，火力发电厂逐步向大容量和高参数汽轮发电机组发展。这些机组燃用大量煤炭的同时，也消耗了大量水资源。在“富煤缺水”地区或干旱地区建设火力发电厂时，发电厂汽轮机凝汽系统采用空气冷却系统（简称发电厂空冷系统）。由于直接空冷多采用机械通风方式，因此系统所需的空气由大直径风机提供。这需要很多低压电动机拖动空冷风机运行，将导致能耗增大。直接空冷系统自耗电占机组发电容量的1%～1.5%。为了降低空冷风机的耗电率，决定采用低压变频器驱动以适时调速，从而达到节能降耗。

变频器在当今工业发展中起着举足轻重的作用。随着发电厂对空冷风机系统整体水平的要求要来越高，发电厂空冷风机的变频器的安全稳定运行变得尤为关键。夏季所有空冷风机变频器长时间满频率甚至超频率运行，使得380 V空冷段电能质量不合格，即电压总谐波畸变率超标。另外，大量谐波的存在使得空冷变频器出现局部高温，从而加快了变频器的老化。空冷变频室室温超温会影响变频器的出力，进而影响机组带负荷能力。

电能质量的好坏直接影响火力发电厂运行的安全稳定与经济效益。理想的电能波形应该是完美对称的正弦波，但正常运行过程中的某些因素会使完美对称的正弦波偏离对称正弦，由此产生电能质量问题——谐波。谐波的存在容易形成谐波污染，其中变频器是构成直接空冷机组的主要谐波污染源。

变频器的基本电路由整流电路和逆变电路两部分组成。整流电路是将工频交流电整流成直流电，逆变电路是将整流后的直流电逆变成频率和电压可调的交流电。变频速装置一般采用交-直-交的电压模式。

1 谐波的定义、类别

1.1 谐波的定义

相关书籍中对谐波有准确的定义。广义上讲，由于交流电网的有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。这时谐波的意义已经变得与原意有些不相符合。严格意义上讲，谐波是指电流和电压中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流和电压产生的电量[1]。另外，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。

1.2 谐波的类别

根据谐波频率的不同，谐波可以分为奇次谐波和偶次谐波。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，对称关系已经消除了偶次谐波，只存在奇次谐波。

2 330 WM直接空冷机组运行现状

发电厂空冷技术从提出到现在历时有60余年，在国际上的发展相对较快。当前，单机容量1 000 MW的空冷发电机组已进入发展期，空冷机组在干旱地区的发展已经进入加速期，多种类型机组相继出现，如直接空冷、间接空冷以及干湿联合冷却机组[2]。

330 WM直接空冷机组为了降低空冷系统自身的空冷耗电率，大量引入变频器来调节和驱动空冷电动机。目前，投入运行的330 WM直接空冷机组中，每台机组大多配置30台空冷风机，分成6列安装，每列5台风机，每台空冷风机配置1台160 kW空冷电动机，同时配置1台与之相匹配的200 kW变频器。同时，变频器采用工业型、重载型以及全面矢量控制型产品。

每台机组的30台变频器安装在同一个空冷配电室内，平均配置为3个380 V空冷段，每个380 V空冷段接带10台变频器。所有变频器都安装在同一个配电室内，由于变频器本身及相互之间的电磁干扰，可能导致380 V空冷段在运行过程中电能质量不合格，主要指谐波电压和电压总谐波畸变率不合格（超过国家标准）。

谐波的影响和危害在电力广泛应用的今天无处不在，在直接空冷发电厂也普遍存在。直接空冷发电厂中谐波的产生主要是因为变频器的大量使用。要高度重视对非线性用电设备产生谐波的治理，寻找合理的解决方法使谐波分量不超过国家标准，从根本上消除空冷发电厂中的谐波污染[3]。

3 330 MW直接空冷机组380 V空冷段谐波电压测试

3.1 试验原理

380 V空冷段谐波测试时，根据测试工作的具体情况和要求，选择三相三线系统接线图进行测量。试验设备为Fluke1760三相电能质量分析仪和Fluke17B万用表。

3.2 主要参数设置

设置试验的主要参数如下：机组负荷230 MW，环境温度8 ℃，380 V空冷PC段CT变比为4 000/5。另外，380 V空冷段的三相系统中，A相、B相和C相的电压有效值分别为222.74 V、221.25 V以及221.30 V，电流有效值分别为0.401 89 A、0.335 15 A以及0.491 20 A。

3.3 测试数据分析

380 V空冷段电压、电流波形图，如图1所示。

图1 380 V空冷段电压、电流波形图

380 V空冷段谐波电压含量如表1所示。

表1 380 V空冷段谐波电压含量

380 V空冷段谐波电压测试分析时，在380 V空冷PC段的电压等级为0.38 kV，谐波电压总畸变率为7.65%。试验中主要谐波次数及谐波电压的含有率达到6.227%的有5次，其他谐波次数及谐波电压含有率达到2.73%的有11次。经分析，谐波电压的畸变率超标。

3.4 试验结果

利用便携式谐波测试仪测量380 V空冷段的谐波，分析测量数据后发现：380 V空冷段5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波电压的含量都超过1.0%，380 V空冷段5次谐波达到了6.35%以上，380 V空冷段电压总谐波畸变率更是达到了7.65%，都超过国家标准。从试验数据可以直观得出结论：330 MW直接空冷机组380 V空冷段电能质量严重不合格，380 V空冷段谐波电压指标不满足国标《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549—1993的要求[4]。

测量过程中，机组接带负荷不高，环境温度较低，空冷风机低速运行，变频器低频率运行。也就是说，在变频器频率较低的情况下测得的380 V空冷段谐波电压及电压总谐波畸变率都超过了国标标准。如果在满负荷、环境温度较高、变频器满频率运行的情况下，测出的数据会更高，验证了380 V空冷段是330 MW直接空冷发电机组的谐波产生点，对整个380 V空冷段及空冷机组的运行会有一定的影响。

3.5 380 V空冷段谐波超标原因

330 MW直接空冷机组设计时，将每台机组的30台大功率变频器安装在同一个空冷配电室内。空冷变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路。由于变频器逆变电路的开关特性对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，因此电流流经变频器时，与所加的电压不呈线性关系，会在变频器的电流回路中形成非标准正弦电流，而这些电流可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波。由于这些正弦电流相互影响、干扰以及谐波电流之间的相互叠加，导致变频器输出电压的波形发生畸变形成谐波电压。变频器运行过程、电源整流以及逆变过程中会产生各种谐波。由非线性原件组成的系统在开断过程中，它的输入端和输出端都会产生高次谐波，这与380 V空冷段谐波产生原因相符[5]。

3.6 380 V空冷段谐波超标对空冷机组正常运行带来的影响

（1）380 V空冷段电压谐波总畸变率不合格，使得380 V空冷段谐波电流明显增大。谐波电流与正常运行的工频电流叠加，使得叠加后的总电流变大，导致负荷电流变大，变频器运行中的损耗增大（损耗和电流的平方成正比），从而使变频器的运行温度升高。若变频器长时间高温运行，则变频器的效率变差，还会加快变频器的老化速度，甚至会因温度过高而跳闸，影响空冷机组的安全稳定运行。

（2）380 V空冷段电压谐波总畸变率不合格，空冷变频器输入端电压波形发生畸变，使得输入电流幅值增大，且变频器整流回路中无功补偿装置电容器负担过大，容易使电容器产生过电压，导致变频器运行不正常。长时间过电压运行会损坏无功补偿装置电容器，进而影响变频器的工作性能和使用寿命，严重时可能会击穿电容器甚至会引起电容器爆炸着火。

（3）380 V空冷段电压谐波严重畸变而产生的谐波电流会使空冷电动机损耗增加、效率降低。变频器直接驱动的空冷电动机为异步电动机，属于感性负载。由于谐波电流的存在，电动机损耗增加，绕组温度上升，缩短了电动机的使用寿命。此外，谐波还会引起电动机绕组不均匀处由于过热导致的绝缘层损坏，从而降低电动机的绝缘水平。

（4）380 V空冷段产生的谐波会影响空冷变压器的继电保护和空冷段备自投装置动作的可靠性。由于现场继电保护装置使用的是电磁式继电器，加之保护定值是按照电流和电压的基波量来整定的，整定值小且灵敏度高，因此易受到谐波的干扰，从而引起空冷变压器继电保护误动或拒动，失去继电保护动作的选择性，可靠性降低，容易造成380 V空冷段故障，威胁发电机组的安全稳定运行。

3.7 380 V空冷段谐波超标的处理方法

3.7.1 安装适当的输入电抗器

在380 V动力电源与空冷变频器输入侧之间串联交流电抗器，目的是增加变频器整流回路中的阻抗值。由于电抗器的高阻抗能有效抑制谐波电流的产生，因此使得空冷变频器三相输入电压趋于平衡，输入电源的力率（功率因数）增大，从根本上降低了380 V空冷段电压谐波的总畸变率。因为380 V空冷变频器的功率大都在200 kW左右，所以完全能实现在380 V动力电源与空冷变频器输入侧之间串联交流电抗器。

3.7.2 安装适当的输入滤波器

滤波器是一种选频装置，是由电容、电感以及电阻组成的滤波电路，可以使信号中特定的频率成分通过，极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的选频作用可以有效滤除干扰噪声进行频谱分析。

在380 V动力电源与空冷变频器输入侧之间并联的射频滤波器由高频电容器组成，可以吸收频率较高且具有辐射能量的谐波成分，降低谐波干扰，从而达到降低380 V空冷段电压谐波总畸变率的目的。

3.7.3 安装新型的TSF动态谐波滤波器

通常，谐波电流与谐波源设备的工作电流成正比。TSF动态谐波滤波器由控制器测量出负荷谐波电流，控制双向可控硅过零触发，实现动态滤除非线性负荷的谐波和动态补偿无功功率。另外，在投切过程中无冲击、无涌流、无过渡。通过加装新型的TSF动态谐波滤波器，可以有效降低380 V空冷段电压谐波的总畸变率。

3.7.4 对空冷变频器进行降容改造

将目前空冷岛使用的大功率电机+减速机系统更换为功率较小的永磁直驱电机，省去中间减速机，可以将原来功率为200 kW的变频器更换为160 kW的变频器，降低变频器的工作电流。由于空冷电动机为永磁电机，因此空冷变频器的实际运行频率由原来的50 Hz降低到23 Hz左右，即可满足空冷电动机出力。另外，通过改造还能减小变频器的体积，降低变频器的发热、相关电子元件的容量以及产生的谐波，还能达到降低380 V空冷段电压谐波总畸变率的目的。

4 结 论

近年来，在“富煤缺水”地区或干旱地区新建大量大容量直接空冷机组。由于变频器具有容易操作、控制精度高以及维护工作量小等特点，而且可以节能降耗，因此在直接空冷机组中投运数量大大增加，但变频器的大量使用会在运行过程中产生谐波污染。这些谐波污染给电气设备及发电机组的可靠运行带来了较大隐患。因此，从变频器的原理和用途入手，分析330 MW空冷机组空冷变频器运行现状、空冷变频器产生谐波原因、380 V空冷段电压谐波总畸变率超标原因以及谐波给机组正常运行带来的影响，提出了解决330 MW空冷机组380 V空冷段谐波超标的方法，可为相关工作提供参考。