600MW空冷机组空冷岛配电室400V母线谐波分析与治理

600MW空冷机组空冷岛配电室400V母线谐波分析与治理

杜福生

（华能国际电力股份有限公司上安电厂050000）

摘要：电力电子技术、设备的飞速发展，满足了用户其对电能的功率、电压、电流、频率、波形及相数等参数的不同需求，其在电路性质上是非线性电路，不可避免的会向电力系统注入谐波电流，使系统电压波形发生畸变，会对电力系统及其用户的安全优质经济运行构成潜在威胁。本文就华北南网某主力电厂在2013年夏季空冷岛配电室低压进线开关多次集中跳闸的现象入手，经过实验，总结出在该段母线上用于拖动冷却风机的变频器运行频率与母线谐波畸变率的关系，得出系统谐波特性：当变频器运行超过35Hz时，母线电压谐波畸变超过国家标准。并就此展开对谐波产生的原因、谐波频谱特征、谐波的测量，谐波注入的国家标准等的讨论，并根据国际国内的经验，就如何减少谐波的注入和谐波的治理方法等进行探究实践，为空冷机组空冷岛段母线的谐波治理提供思路。

关键词：600MW空冷发电机组，空冷岛，母线，谐波分析治理，有源电力滤波

1、论文背景

华北南网某主力电厂5、6号机组采用超超临界空冷机组。热力循环系统用空冷岛取代了传统的凉水塔，每台机组安装56台风机冷却汽轮机做工后的乏汽，这些风机由四段400V母线供电，每段母线带14台AB公司的PowerFlex700变频器，变频器调速范围20Hz~55Hz。

空冷岛厂用电设备自2009年投运以来一直运行正常，但在2013年5月份故障频发，汇总如下：

(1)进线(备用进线)共2013年5月共发生8台次开关故障跳闸

(2)进线(备用进线)开关一次触头接触电阻超标，最大的为1.67毫欧

(3)干式变压器温度异常，在冷却风扇运行的情况下比其他变压器风扇不运行的高15℃。

(4)空冷岛4段低压段进线开关排头温度异常开关排头温度高于其他同类运行工况的产品排头温度约13℃。

(5)空冷岛段变频器经常损坏，经常报接地故障停运，经大批量更换接地报警模块后，再发生的故障则为IGBT损坏。

空冷岛段电缆、变压器、进线开关、母线、安装等设计参数与厂房内其他PC段并无差别，配电室的构造、室温也无明显差别，唯一差别为空冷岛低压段母线上负荷均为变频器—电动机性质，造成以上现象的原因应与负荷性质有重大关联关系，经进一步检查母线谐波含量，发现该段母线电压在变频器运行在约35Hz以上时，谐波超标。

至此，引出本文的主要内容：“600MW空冷机组空冷岛配电室400V母线谐波分析及治理”。

2、谐波的相关理论及国标

2.1谐波的产生

“谐波”一词起源于声学，在18世纪和19世纪由傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用，即当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可以用一系列频率为电力系统运行基本频率正整数倍的理想正弦波形的和来表示，这一系列理想正弦波称为该波形的“分量”，也称为该畸变波形的“谐波”，谐波频率是基波频率的倍数称为“n次谐波”，频率为电力系统运行基本频率的谐波称为“基波”。

谐波畸变是由于电力系统中的非线性设备引起的。流过非线性设备的电流和加在其上的电压不是正比关系，当电压增加较小时，电流可能成倍的增加，在非线性设备上的这种电压-电流呈非线性的关系正是电力系统电压波形畸变的根源。

2.1.1谐波分析法

在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数。

非正弦周期性电压和电流均平均值等于其各次谐波方均根值的平方和的平方根值。

畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率THD表示。它等于除基波外各次谐波有效值的平方和的平方根值与基波有效值的百分比。电压、电流总谐波畸变率为：

2.1.2典型的谐波源

一般把向电力系统注入谐波的设备称为谐波源。常见的谐波源依据其工作特性分为以下几类：铁磁饱和类型；电子开关型晶闸管整流设备及变频装置型；电弧型；气体放电类电光源等。这些设备即使外加的工作电源是理想的正弦电压，其电流也是非正弦的，其向系统中注入的谐波含量对取决于自身的工作状况以及施加的电压，其谐波特征具有典型性。理想单相全控桥式整流交流侧电流为连续周期方波，只含有2k±1次谐波电流;理想三相全控桥式整流电路触发角α=0时，交流侧各相电流为断续周期方波，只含有6k±1次谐波电流。

2.2谐波的危害

谐波的危害主要表现其在对电力和信号的干扰影响，可大致概括为：

(1)影响电力系统的稳定运行。发、输、配电系统中的电力线路与电力变压器的保护装置容易受到高次谐波的影响产生误动作，从而威胁供电系统的稳定与安全运行。

（2）影响电网的电能质量。谐波会造成电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流会产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低了电网电压，增加了电路损耗，浪费电网容量。

（3）影响供电系统的无功补偿设备。谐波注入电网容易造成电力系统变电站的无功补偿设备的高压电容过电流，使电容异常发热，加快电容器绝缘介质的老化，缩短寿命。

（4）影响电力变压器的使用。谐波的存在会使回路中电流有效值大于负载实际使用的电流有效值，引起电力变压器的铜损增加；谐波引起的涡流损耗是按照谐波电流的频率平方倍数增加，会直接影响变压器的传输效率，还会造成变压器温度、噪声增加。

（5）影响发、用电设备。对大型汽轮发电机来说，谐波电流超过额定电流的25％时，会导致转子局部过热而损坏。谐波的存在会造成同步电动机及感应电动机在定、转子绕组产生附加热损耗，还由于电流的集肤效应，产生转子附加损耗。含有大量的高次谐波也会导致母线发热，同样幅值的谐波电流会引起导体产生更多的发热量，同样的5次谐波电流在电缆中产生的热量是基波(50Hz)电流的25倍！电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。谐波还会造成异步电动机效率下降，噪声增大；低压开关设备误动作；干扰工业企业自动化设备的正常通讯，影响电力电子计量设备的准确性；电子计算机发生失真；工业电子设备的稳定可靠性会被破坏，产生产品质量等事故。

（6）谐波谐振过电压，会造成电气元器件或设备的故障与损坏。架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延迟潜供电流的下降速度，导致单相重合闸失败。系统谐波电压或电流发生谐振则会引起过电压或过电流，引起电气设备绝缘损坏，引起设备产生噪音与振动。

2.3谐波的国家标准

我国国家技术监督局于1993年7月31日颁发了国家标准GB/T14595-1993《电能质量公用电网谐波》，并与1994年3月1日实施。相关主要内容：

(1)低压电网谐波含量允许值

根据国外经验和我国电力系统中谐波影响的具体情况，低压0.38kV配电系统的电压总谐波畸变率限值为5%。

(2)奇、偶次谐波电压含有率

根据我国的实际情况，各奇次谐波电压含有率的允许值规定为总谐波畸变率的80%，而偶次谐波电压含有率的允许值规定为奇次谐波的50%，即为总谐波畸变率的40%。如下表：

谐波电压畸变率极限值

(3)用户注入配电系统谐波电流允许值

标称电压为0.38kV的用户注入配电系统谐波电流允许值，基准短路容量10MVA。

当连接点的短路容量不同于上表的基准短路容量时，连接点的谐波电流允许值应按系统实际最小短路容量进行换算，即

3、谐波测量与分析

3.1测试前分析

因所有母线配置负荷相同，所有风机参数相同，机组运行时所有风机基本以同一频率运行，所以测试任何一段的电压电流谐波情况都有代表性。

3.2接线方式

电压采样和电流采样，均取自进线开关与变压器之间的低压母线。

3.3安装治理设备前的谐波测试

3.3.1频率为20Hz时测试结果

变频器频率为20Hz时电压总谐波畸变率如下表所示。

各次谐波电流如下表所示：

3.3.2频率为30Hz时测试结果

变频器频率为30Hz时电压总谐波畸变率如表所示。

3.3.3频率为40Hz时测试结果

变频器频率为40Hz时电压总谐波畸变率如下表所示。

3.3.6频率为55Hz时测试结果

变频器频率为55Hz时电压总谐波畸变率如下表所示。

对以上不同频率下各相电压畸变率进行总结，并与国家标准作对比，得出下表所示结果。

变频器运行频率与母线电压畸变率关系如下图所示。

由上图可以看出，变频器运行频率大约在35Hz以下，母线电压畸变率是符合国家标准要求的，随着变频器运行频率的增加，母线电压畸变率也正向关联性地增加，变频器运行在空冷风机的最高频率55Hz时，母线电压畸变率也达到了最高10.85%，达国家标准的两倍之多！

3.4谐波电压分析

分析在变频器不同频率下电压谐波分布，画出频谱分布图，如下图所示。

变频器频率为55Hz时电压频谱图

由以上图表可见，电压谐波主要为6k±1次，是六脉整流的典型谐波特征，符合交直交变频器的工作结构的特征

3.5谐波电流分析

空冷岛低压段干式变压器容量为2000kVA，短路阻抗比为8.46%，最小短路容量为2000kVA/8.46%≈23MVA。即变压器低压侧允许注入的电流谐波量为国标允许值的23MVA/10MVA=2.3倍。那么，根据2.3国标规定的变压器谐波畸变允许值计算得出以该低压母线的谐波电流注入允许值：

以变频器55Hz时测量结果为例，电流谐波与上表对比结果：

可见，只有5、7、11、13次谐波不合格，因此谐波治理应主要考虑5、7、11、13次谐波的抑制。

4、谐波抑制探讨

电力系统采取抑制谐波的措施的目的是把谐波对电力系统的干扰(污染)限制在系统可以允许的范围内，手段就是减少或消除注入系统的谐波电流，把谐波电压畸变率控制在限定值之内。

电力系统发供电侧抑制谐波的主要措施有：

(1)电源设备的谐波控制。发电机侧采用星形连接，短距绕组，增加每极每相槽数等措施，可以保证发电机的谐波电动势畸变率小于1%，基本可以忽略不计。

(2)变电设备组别选择。通过选择电力变压器的连接组别，可有效减少某些次数的谐波。一般发电机主变压器及各变电站的主变压器均采用△/Y连接，可有效防止系统中的三次谐波。

按照国际上通行的“谁污染谁治理”的规则，所以用户侧的谐波治理更具有实际意义，因此主要讨论用户侧的谐波治理手段。

4.1降低谐波源的谐波含量

(1)增加整流器脉动数

整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动数p有关，。当脉动数增多时，整流器产生的谐波次数也相应地增高，而谐波电流幅值近似与谐波次数成反比，因此，增加整流器脉动数将减小谐波源产生的谐波电流。

（2）采用PWM脉宽调制法

使用PWM整流器，使用脉宽调制技术可以使整流器从系统中汲取电流波形近似保持正弦波形，会大大降低了电源电流的谐波分量。

（3）三相整流变压器采用△/Y或Y/△接线

电力变压器通过其绕组的连接方式，可有效地减少某次数的谐波。如三角形连接的变压器可有效消除3次及其倍数次的谐波。

4.2在谐波源处吸收谐波电流

4.2.1无源谐波滤除装置PPF

无源电力滤波器(PassivePowerFilter,PPF,PF)又称为LC滤波器，是由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置,按照一定的拓扑结构连接而成，是目前广泛采用的谐波抑制手段。它能够有效滤除某次或某些次的谐波电流。单调谐滤波器所消除的谐波电流次数为，双调谐滤波器相对于两个单调谐或高通滤波器，具有经济技术上的优势，双调谐滤波器主要用在高电压、大容量的环境。

4.2.2有源谐波滤除装置APF

有源电力滤波器(ActivePowerFilter,APF)的工作原理是：产生一个与iq相等且反相的电流if，其中可以包括负荷电流中无功分量和全部谐波分量，也可以只补偿谐波分量，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，阻止谐波注入公共供电网络。

有源电力滤波器的电路结构大部分由四个部分组成。

（1）基于瞬时无功理论的无功电iq或谐波成分ih检测部分

(2)控制系统

(3)逆变电源

(4)输出部分

4.2.3防止并联电容组对谐波的放大

4.3改善供电环境

除上述方法外，还可以在用户侧多投一些同步电动机，它一方面可以进行无功补偿，减少电压波动及电压闪变，另一方面它又能吸收一部分谐波电流；另外，用户通过控制母线上运行的变频负荷与工频负荷的容量比或适当增大供电变压器容量，预留较大裕度也可以有效的控制谐波畸变率。

5、谐波治理实践

上面介绍了三类谐波治理方案，第一类从整流器入手，旨在提高谐波源处的谐波频率，降低谐波含量，第二类通过加装滤除装置减少谐波含量，第三类通过改善供电环境降低谐波含量。出于现场可操作性及成本的考虑，本工程采用第二类中的第二、三种谐波滤除方法：加装有源电力滤波器APF和增加变频器入口电抗器进行治理。

由3.3测量结果可知，在变频器运行在55Hz时，注入系统的谐波电流最高。所以将各风机调至55Hz，测量母线电压、电流谐波含量即可评价治理效果。

5.1治理方案实践

5.1.1加装电抗器后（未安装APF）结果分析

经测试，在母线上所有风机运行在55Hz时，母线电压为390.5V，变频器的额定电压为380V，单个变频器的运行电流为135.1A，根据公式：，计算可得增加电抗器容量L=0.247mH（实际选择0.056mH，从测试结果看容量偏小），测量结果如下表所示：

由上表可知，与未加电抗器时相比，电压谐波畸变率有小幅降低，5、7、11和13次电流谐波含量没有明显变化。

5.1.2加装APF后滤波结果分析

由3.3.各频率的谐波含量测试结果计算补偿容量，I5=458A，I7=147.9A，I11=95.17A，I13=64.27A，I17=29.78A，I19=27.79A，I23=15.7A，I25=13.38A，计算得出：

为保证治理效果，特选择额定容量为600A的APF。

经测量：（在加电抗器后且APF进行补偿的条件下）U电抗器入口=390.5V，I=175.1A，U电抗器出口=U变频器入口=387.2V。各次谐波测量结果如下表所示：

由上表可知，加装APF后电压谐波畸变率有了大幅度下降，尤其5、7、11和13次谐波含量降到了允许值以下。

谐波电流频谱图

5.2治理效果分析

比较在变流器入口增加电抗器和加装APF两种方案下的谐波测量结果，得到以下结论：

（1）在变频器的入口未安装电抗器前THDU%=10.8%，安装后为9.766%，可见在变频器的入口安装电抗器确实能起到抑制谐波注入，降低谐波畸变率的作用；

（2）在变频器入口安装电抗器和APF谐波治理设备后，空冷岛低压母线的谐波畸变率即使在变频器运行在最高频率时也满足了国家标准要求；

(3)进行APF补偿后的母线电流五次谐波含量仍然较大，23、25次谐波抑制效果不明显。

6、不足

由于谐波治理设备参数选择问题，谐波治理的质量还有很大的潜力可挖。比如：电抗器参数的选择（本工程偏小，允许的电压降空间还很大，参数增大对高次谐波的抑制效果会更好），APF采样率（本工程20kHz,即：即使不计算控制回路延时、IGBT开关时间等系统最快响应时间为0.05ms，偏长）、测量CT的准确级（本工程采用0.5级，偏低）等，也为以后的设备挖潜提供了思路。

7、结语

综上所述，随着近年来在电力系统中电力电子元器型设备的接入，必然会对电力系统注入大量谐波电流，因其产生的谐波电压除了影响电力系统外，还会影响到用户体验。因此，作为电力工作者需要采取一系列的措施降低谐波危害，提高电力系统运行的安全性与稳定性。

参考文献

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