大型燃机采用SFC启动的谐波研究

大型燃机采用SFC启动的谐波研究

高艳霍利杰

（国电南京自动化股份有限公司江苏南京210032）

摘要：本文介绍燃气轮发电机组通过SFC启动的过程及原理。分析6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波源，进行系统谐波的计算。通过对比不同接线的计算结果，提出燃气轮机采用SFC启动情况下降低谐波、提高电能质量的方法。

关键词：燃气轮发电机；SFC变频启动；电能质量；谐波

燃气轮发电机组由于其具有起动快、快速反应性能好、投资见效快和清洁无污染等众多的特点在国内外发电机组中占有较大的比例。

1SFC启动装置简介

1.1SFC的组成和各部件的作用

SFC系统由SFC变压器、谐波滤波器、控制器、整流器、逆变器和直流电抗器组成。SFC变压器用于提供整流器的输入电压，一旦出现整流器的桥臂短路时，它的漏抗也起着限制短路电流的作用。谐波滤波器的作用是防止SFC装置倒送高次谐波到电源系统中，谐波滤波器的投退对SFC系统的运行没有影响，仅对电源系统有影响。整流器将恒定的三相交流电压变成可变的直流电压，通过调整触发延迟角，使直流电流为一个适当的值。逆变器将整流器输出的直流电压转变成变幅值和变频率的三相交流电压，这个可变的交流电源频率与发电机的转速一致，使发电机加速到指定的转速。直流电抗器的作用是对直流电流进行平波。

1.2SFC的工作过程

不同的燃机系统SFC启动过程不同，通常包括SFC启动、吹扫、燃机点火升速、SFC退出四个阶段：第一阶段恒发电机电流运行，300转以前恒定为70%的额定输出电流，300-510转（转速可能跟实际机组略有差别）时恒定为90%额定输出电流；第二阶段发电机恒速运行，主要是恒速吹扫，此时SFC输出约为70%的额定功率；第三阶段是恒流运行，此时是燃机点火后，SFC输出恒为100%，机组转速燃机作功增加不断加速，约10分钟升速至2000转；第四阶段压气机工作正常，燃机能维持机组转速，SFC退出运行。

2电能质量要求及SFC对电能质量的影响及危害

燃机系统启动时，SFC会产生大量的谐波，会对同一系统的电气设备造成影响。对于200MW以上大型燃气轮机，SFC容量均较大，产生的谐波对系统影响较大并且不容忽视。SFC在电网中产生谐波会对系统的电气设备造成一定的损害，增加输电、供电和用电设备的额外附加损耗和绝缘的损害：

1)静止变频器(SFC)启动时，会对发电机出口电压互感器造成一定的影响：谐波电流会使电压互感器熔断器熔断，谐振过电压使电压互感器铁芯磁通饱和，严重发热、甚至烧毁。

2)对变压器的影响：谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。谐波电流的增加会使变压器局部严重过热，严重时导致变压器烧毁。

3)对电动机的影响：所用电动机均为感应式异步电动机。电动机的设计工作电压为工频下，长期工作在谐波电压畸变的环境下，将大大降低电机的使用寿命。谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩，高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹。

4)对电缆的影响：在谐波电压作用下，电缆的介质损耗也增加。使电力电缆绝缘损坏，电缆发生单相接地故障的次数明显增加。

5)对保护装置影响：系统中谐波电流含量高会使某些滤波功能不好的保护装置造成误动，影响机组的正常运行。

3工程概况

本文以国外某340MW燃气轮发电机组为例，研究大型燃气轮机采用静止频率变换器启动对电源谐波的影响及电源的引接方式对谐波的影响。

本工程新建两套联合循环机组，每套机组包括两台燃机发电机和一台汽机发电机。每台燃机发电机的有功功率为289.0MW，额定容量为340MVA。每台发电机通过主变压器（MT）与400kV配电装置相连接，发电机出口设断路器，发电机经过发电机断路器通过离相封闭母线与主变相连。对于燃机主变压器，容量为350/210MVA(ONAF/ONAN)，额定电压比为400±8×1.25%/20kV，厂高变电源由发电机封母母线支接，厂高变容量为30/18MVA(ONAF/ONAN)，有载调压，额定电压比为20±8×1.25/6.9kV，Dyn1接线方式，短路阻抗10.5%。每台燃机机组配置一台厂高变。根据燃机厂提供资料，SFC启动过程中的最大输出为11.5MW。

4SFC电源的引接方案

SFC的电源引接

燃气轮发电机通过SFC变频启动，需要由外部提供启动电源供给辅机和SFC作为机组启动的动力。采用SFC变频启动的燃机发电机出口通常设置发电机断路器，SFC变频启动时发电机断路器在断开位置。SFC电源通常可以由厂用高压母线段引接，电源由经燃机主变经厂高变倒送至厂用高压段供电。这种接线不需要增加额外的设备，接线简化并且节约工程造价。

5SFC启动谐波分析及计算

5.1建立系统模型

根据本工程设备参数及相应的接线在ETAP电力系统计算软件中建立系统模型，进行计算。其中，400kV系统按系统提供阻抗按40kA系统考虑，其中X/R按10考虑。厂用段的启动负荷统一等效为一个10.275MVA的等效负荷，燃气轮发电机启动负荷等效为11.5MW电动机。

5.2SFC电源由厂高变引接谐波电压计算及分析

SFC电源由厂高变引接接线变频器采用6脉冲和12脉冲分别进行计算。

1)采用6脉冲变频器计算结果

采用6脉冲变频器各母线谐波电压百分比结果如下表：

3)结论及分析

本方案接线中厂用高压变压器容量仅30MW，其中SFC启动负载就达到11.5MW占总容量的1/3还多，采用6脉冲变频器时厂用高压段Aux-Bus母线的谐波电压畸变率达到12.78%，远远超过标准的4%要求。由计算结果表中及图中可以看出，采用12脉冲变频器会对电压畸变率有一定的改善，但是对于该接线仍然不能达到标准的要求。在该接线条件不论采用6脉冲或者12脉冲变频器，下厂用高压段Aux-Bus母线的谐波电压畸变率均超过标准的要求。

SFC所产生的谐波电源对于系统容量相对小的厂用段系统影响较大。对于主变低压侧母线和400kV系统母线，因为系统容量较大SFC产生的谐波对其影响不大，基本可以满足电能质量的要求。SFC电源由专用变压器供电的接线，专用变压器接在系统容量较大的主变低压侧，能够很好的降低谐波源的影响。

6结论：

燃气轮机通过SFC变频启动装置，会产出一定的谐波，对系统造成影响。当SFC容量较小时，SFC电源可以考虑由厂用高压段统一供电，这样接线简单，设备数量少，能够节约工程造价，并且满足电能质量的要求。但是对于容量较大的燃气轮机，因为机组的启动容量较大,相应配置的SFC容量也大，由SFC启动时产生的谐波就不容忽视，这种情况下SFC电源的引接可以考虑设专门的SFC变压器供电，并且还需对谐波进行专门的核算。

参考文献

[1]水利电力部西北电力设计院．电力工程电气设计手册[M．北京：中国电力出版社，1991

[2]金建荣．大型静态变频器在燃气轮机中的应用[J]．发电设备，2008，NO.6

[3]廖波．浅谈SFC在燃气机组中的原理及启动[J]．中国高新技术企业，2016，第21期