蓄能电站SFC启动谐波产生原因

周艳青

(广东省电力设计研究院,广州 510663)

蓄能电站SFC启动谐波产生原因

周艳青

(广东省电力设计研究院,广州 510663)

对抽水蓄能电站厂用电接线方式进行了介绍,对在SFC起动时产生的谐波对电站厂用电系统的影响进行了分析,对厂用电系统作了谐波普查以及对其进行了定性和定量分析,提出了解决方案。

SFC启动;谐波分析;抽水蓄能电站;厂用电

1 前言

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。蓄能电站上库为范家田水库,正常蓄水位762m,死水位740 m,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300 MW,总装机容量2400 MW,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%。经厂用电倒换后,所有400 V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 事件经过

厂用电倒换后试启动SFC拖动#2机组过程中,出现报警,SFC启动失败。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,在启动过程中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。重新启动SFC拖动#2机组成功,同时现场观测电压继电器FV375在启动过程中频繁动作。

同时,#2机组泵工况启动失败。当机组转速达到30%左右时,励磁系统出现二级故障跳机。分析原因为：由于SFC启动过程中由于谐波影响使400 V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启动,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2BR cooling fault故障,可控硅桥U21温度保护动作,Thyristor Bridge Nr 1fault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。

3 谐波分析

故障发生后,在18 kV、10 kV以及400 V侧录取电压波形进行谐波分析,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：

图1 十二脉冲SFC变频装置拓扑结构图

h=kp±1

式中 h——特征谐波次数;

p——整流桥脉动数,对于 SFC一般为 6或12;

k——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它原因,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1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启动时11、13、23、25次谐波含量较高,与理论定性分析相符。

1)基本参数,取归算基准容量Sb=100 MVA。

系统最小运行方式时,电厂500 kV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=360 MVA,短路阻抗Uk%=14.5%,

归算电抗XT*=0.145*Sb/ST=0.145*100/ 360=0.040 28

SFC容量：SSFC=23.5MVA。

电抗器：UN=18 kV,IN=1250 kA,XR=6%

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：

X∑=Xs*+XT*+XR*=0.00288+0.040 28+ 0.153 96=0.197 12

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 Sk=Sb/X∑=100/ 0.197 12=507.3 MVA

PCC1处的电压总畸变率THDU=HF*SSFC/Sk=1.93*23.5/507.3=8.94%

图2 厂用电接线及等效电路示意图

对抽水蓄能电站18 kV、10 kV以及400 V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。

需指出的是,在谐波录取时的几次 SFC启动,均为正常启动,在整个启动过程中仅存在400 V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启动失败的几次故障中,谐波含量可能更高。SFC启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。

4 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。提出了三种解决方案。

4.1 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。

4.2 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启动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。

4.3 从接线设计上减少谐波污染

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3(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3(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3 厂用电接线示意图

5 结束语

由于大功率变频技术迅速发展,使得蓄能电站采用变频启动方式,无论在可靠性、经济性和维护性等方面都是其它启动方式所难以比拟的,因而变频启动得到广泛采用,我国近年建设的蓄能电站都采用了这种启动方式。变频启动过程的谐波考核就是其中的一个方面,变频启动装置的容量比电站内其它非线性负荷大得多,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,再没有其它可以与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,其它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0.38 kV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。

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[4] 郭海峰.静止变频器在现代大型抽水蓄能电站中的应用[Z].

Analysis of Harmonic in Static Frequency Converter System in Huizhou Pumped Storage Power Station

ZHOU Yanqing
(Guangdong Electric Power Design Institute,Guangzhou 510663)

This paper introduces service power supply of Huizhou pumped storage power station generally,analyzes effect of harmonic wave generated by SFC system,general surveys harmonic wave in service power supply,and finally recommends a solution based on quantitative and qualitative analysis.

SFC;harmonic analysis;pumped storage power station;service power supply

TM62

B

1006-7345(2014)03-099-03

2013-12-06

周艳青 (1982),男,硕士,工程师,广东省电力设计研究院,主要从事电站电气一次设计 (e-mail)zhouyanqing@gedi.com.cn。