基于电网安全的发电厂空冷机组谐波处理装置应用

2014-05-29李作栋

电气开关 2014年5期

李作栋

(广西电网公司防城港供电局，广西防城港 538001)

1 引言

目前我国对环境保护已经有了很强的意识，但是水资源的危机依然在加剧，因此空冷发电技术就在国内迅速发展。我国北部大部分地区是火力发电为主，但火力发电也是水资源的消耗大户，这些地区也是我国水资源短缺的地方，相应的他们的电力发展和经济建设也将受到制约。经过研究表明，采用空冷技术来发电将会有效的缓解水资源的危机。与常规的湿冷技术相比，个别火电厂可以减少到厂用水的85%，其次也可以省去建设冷却塔的费用。

但由于谐波产生的危害可能会改变继电器的动作特性，以致引起误动作，造成继电保护等装置工作紊乱。然而保护装置的误动作会影响发电厂的空冷岛正常运行，空冷岛使用了大量变频器，尽管变频器进线侧串联了滤波电抗器，但是谐波电流仍然很大，影响保护正常工作。因此提高发电厂空冷组的谐波处理能力显得尤为主要。

2 谐波在电力安全中的影响

2.1 谐波源

谐波有很多来源，主要有用在交流电机上的交流变频调速器，在调整输出频率的同时按比例调整输出电压，从而改变电机转速，以达到交流调速的目的。由于变频器采用的电路结构是“整流器—电容/电感器—逆变器”，无论是整流器或是逆变器都有非线性特性，所以它会产生高次谐波。脉宽调制的变频器的谐波电流含有量会随负荷变化而变。在较轻负荷时，谐波电流的含有率是比较大的;相反，在较重负荷时，谐波电流的含有率是比较小的。整流设备，由于晶闸管整流在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面得到了较广的应用，给电网也带来了大量的谐波。电力变压器在合闸时的磁通可以高达额定值得2倍以上，产生很高的励磁电流，因此谐波含油率就随之升高。总之大约80% 的谐波来自配电系统本身，如:不间断电源(UPS)、直流电源、整流装置、充电器、变频调速器/直流调速装置、节能灯(荧光灯)、计算机和外围设备等。大约20%的谐波来自于供电网的其他部分，像电网切换，外部变频器等大用电器。

图1 中频炉电压电流波形图

2.2 谐波对电力安全的影响

谐波产生可能会引起系统谐振，电容器组、电抗器组及相关用电设备因过电流或过电压而损坏或无法投入运行。电力线中的谐波电流或谐波电压会产生感应磁场，影响临近信号线的传输品质。谐波电流会将变压器铜耗和磁滞损耗增加;谐波电流会使电缆导体过载、导致过热、发生绝缘破坏而烧毁;谐波危害还能改变继电器的动作特性引起误动作，造成继电保护等装置工作紊乱，然而保护装置的经常性误动作。最终影响发电厂的正常运行。如图1可见负载电压电流中含有谐波时，中频炉的电压电流波形失真。

3 谐波处理装置

3.1 谐波处理装置工作原理

谐波处理装置的选择不同，相应的工作原理也会相应有些不同。本文的谐波处理装置中以电源净化装置STNA1008来说明。

从功能上来说，电源净化装置SNTA1008通过实时监测负载电流波形，检测出其中的谐波电流，通过控制IGBT的触发，将与该谐波电流大小相等方向相反的补偿电流注入供电系统中，实现滤除谐波的功能，从而达到提高供电系统的安全性、节能降耗的目的。其功能原理图2所示。

图2 电源净化装置SNTA1008功能原理图

电源安全净化装置内部控制原理:断路器合闸后，电源安全净化装置首先通过预充电电阻对直流母线的电容器充电，即为防止上电后对直流母线电容器的瞬间冲击，8s后，当母线电压Vdc达到额定值后，主接触器闭合。直流电容为储能元件，为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电源交换板向内部检测与控制板提供工作电源。S N T A 1 0 0 8系列电源安全净化装置通过外部C T采集电流信号送至谐波检测模块，该模块将基波与谐波分离，将谐波成分送至检测模块，该模块将采集到的负载谐波成分和电源安全净化装置输出补偿电流比较，得到的差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，由电源安全净化装置将补偿电流注入到电网中，实现滤除谐波功能，原理结构图如图3所示。

图3 电源净化装置SNTA1008内部控制结构图

3.2 谐波处理装置的应用

在谐波处理装置应用时要有三个方面考虑:

一是谐波处理装置的容量，即根据需要补偿负荷的谐波次数及容量确定有源电力滤波器的容量。二是滤波器接入点的问题，即根据补偿效果及就地补偿原则确定有源电力滤波器接入点。三是电路结构设计，即根据接入点电压及负荷结构确定有源电力滤波器电压等级及电路。

本文中以SNTA1008为例进行说明，首先容量设计，SNTA1008电源安全净化装置的容量可以根据如下公式统计:

式中:Ih是第h次谐波电流(方均根值)，比计算值大于20%，根据测试结果设计容量。

SNTA1008设备接入点设计:集中式滤波适用于当非线性负载数量多，单台非线性负载容量较小的场合，如图4所示。

相应的分散滤波适用于非线性负载集中在某几条支路或某单台负载容量较大的场合，如图5所示。

图4 集中式滤波电路接入点设计

图5 分散式滤波电路接入点设计

4 发电厂空冷机组谐波治理

由于谐波产生的危害可能会改变继电器的动作特性，以致引起误动作，造成继电保护等装置工作紊乱。然而保护装置的误动作会影响发电厂的空冷岛正常运行，空冷岛使用了大量变频器，尽管变频器进线侧串联了滤波电抗器，但是谐波电流仍然很大，影响保护正常工作。因此文中采用SNTA1008电源净化装置来处理发电厂空冷机组的谐波，治理效果图如图6所示。

从治理效果中可以看出治理后畸变率降至3.3%，谐波电流大幅度降低，保护装置误动作明显减少，设备正常工作。

5 结语

大型空冷机组是确保我国富煤贫水地区电力工业发展的有效途径，已成为我国大型火力发电机组的主要方向之一。针对采用大型空冷机组出现的谐波危害电网的安全运行，文中采用SNTA1008装置为例进行了有效滤波，从结果看出，该装置能够有效地降低谐波电流，使继电保护装置误动作减少，进而降低谐波对电网安全的危害。随着电力电子技术的发展实践，大容量、高电压的电源安全净化装置不仅在空冷发电机组中有一定的应用，而且在以后汽车充电站的谐波处理，大型楼宇的谐波处理都会有一定实际意义。