抽水蓄能电站厂用电谐波的抑制

郝国文

（国网新源控股有限公司，北京市 100761）

抽水蓄能电站厂用电谐波的抑制

郝国文

（国网新源控股有限公司，北京市 100761）

本文阐述了SFC装置产生的谐波对厂用电系统的影响，分析了几个抽水蓄能电站不同的主接线方式，并从电抗器配置的情况对谐波的抑制作用进行了说明。提出了泰山抽水蓄能电站厂用电谐波抑制的方案，并对所需配置的电抗器进行了参数校核。提出了几个需要注意的问题，可为后续其他电站的改造和设计提供借鉴。

抽水蓄能；厂用电；SFC；谐波

0 引言

抽水蓄能电站在电网中承担调峰、调频、调相、事故备用和黑启动的功能，是电网重要的电源调节手段，在电网中发挥了至关重要的作用。抽水蓄能机组电动工况启动以静止变频器（SFC）启动为主，以背靠背启动方式为辅，对于后续投产的机组数量在6台及以上的抽水蓄能电站将会配置两台SFC用于启动，背靠背启动的方式将逐步取消。由于SFC装置在启动时会产生谐波，对电源产生影响，本文针对泰山抽水蓄能厂用电的谐波情况进行了分析，提出了抑制谐波对厂用电影响的方案，并对设备选型计算过程进行了具体的说明，为后续新建设电站厂用电谐波抑制提供借鉴。

1 抽水蓄能电站SFC谐波情况

目前抽水蓄能电站配置的SFC装置一般选用电流源型交—直—交变频器，采用直流电抗器布置在整流器和逆变器之间用于缓冲无功功率。SFC在短时运行时将产生大量谐波，是抽水蓄能电站的最大谐波源，理论上SFC运行时只产生特征谐波，即在整流桥的电源侧产生的谐波次数为：

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……

对于6脉冲结构，产生的特征谐波次数为5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35、37、41、43、47、49……

对于12脉冲结构，产生的特征谐波次数为11、13、23、25、35、37、47、49……

从产生谐波含量上讲，12脉冲的要较6脉冲的产生的谐波要少，对厂用电的影响也就要小。因此，对于采用6脉冲SFC的抽水蓄能电站要注意谐波对厂用电的影响。由于SFC装置与电网之间还有主变压器和电抗器，且SFC为短时运行模式，因此SFC运行时产生的谐波对电网影响小，对于电网来说基本可以不用考虑。

2 泰山抽水蓄能电站谐波的影响

泰山抽水蓄能电站SFC装置为6脉冲结构，厂用电谐波在SFC启动时谐波量较大，SFC启动时机组出口电压总畸变率为2.804%，谐波电流最大占总电流的25.9%；厂用10kV母线电压总畸变率最大达10.8%，厂用400V电压总畸变率最大达8%，超过了GB/T 14549《电能质量 公用电网谐波》中公用电网谐波电压（相电压）限值。

为了缓解谐波影响，泰山电站原设计配置有滤波器，滤波器由电容和电感组成，主要用于滤除5次和7次谐波。在泰山抽水蓄能电站投运初期，滤波器的投切断路器因参与流程控制，易造成SFC启动失败，经过分析考虑当时的谐波对电网的影响较小，因此将滤波器的断路器控制回路进行了一些修改，使其仅参与控制流程而不实际投入。

经过长时间的运行后，SFC运行时产生的谐波问题逐渐凸显，例如SFC启动时运行人员用于监视系统频率的频率表显示异常，有时甚至跳变至100Hz左右且经常损坏，SFC启动时监控系统UPS装置经常出现整流器故障报警，上库有一台配电开关在SFC启动时经常跳闸，3号机组水导油泵在SFC启动时经常出现切换，可见SFC启动时谐波对厂用设备的影响还是不容忽视。考虑到重新投入滤波器可能带来较多的运维问题，因此有必要采取一种更为简单可靠的方法对厂用电谐波进行抑制。

3 几种不同电抗器的接线方式

为了抑制SFC的谐波，最简单的方法是在SFC输入端加装限流电抗器，一方面起到了限制短路电流的水平，使电抗器后短路电流限制在SFC输入开关的额定开断电流以下；另一方面就是抑制谐波。

在抽水蓄能电站中，SFC有的与高压厂用变压器直接连接，有的经过电抗器会合，有的可能经过主变压器后再会合。

下面介绍几个不同电站的接线方式：

方式1。泰山抽水蓄能电站、桐柏抽水蓄能电站：SFC与高压厂用变压器直接连接，电抗器在PCC的前面。这种接线方式SFC产生的谐波对厂用电系统的影响最为直接，影响也最大。这种方式中限流电抗器配置参数按SFC和高压厂用变压器负荷共同计算确定。方式1接线示意图见图1。

图1 方式1接线示意图

方式2。宜兴抽水蓄能电站、响水涧抽水蓄能电站：SFC输入电源和高压厂用变压器在主变压器低压侧经各自的限流电抗器后供电。这种接线方式SFC产生的谐波电压经两级电抗器降落才传递到厂用变压器，这样对于抑制谐波非常有效。这种接线方式中限流电抗器配置参数不同，一种针对高压厂用变压器负荷计算确定，一种针对SFC负荷计算确定。方式2接线示意图见图2。

图2 方式2接线示意图

方式3。西龙池抽水蓄能电站：SFC电源与高压厂用变压器取自不同的主变压器低压侧，并且各自经过限流电抗器。这种接线方式是减少SFC谐波对厂用电影响的最好的一种接线方式。这种接线方式对电站早期有些许影响，需要两台主变压器一起投运才能确保SFC和高压厂用变压器都带电，投运后基本无影响，主变压器停电检修产生的影响也与方式1的情况类似。这种接线方式中有两种参数不同的限流电抗器，一种针对高压厂用变压器负荷计算确定，一种针对SFC负荷计算确定。方式3接线示意图见图3。

图3 方式3接线示意图

方式4。蒲石河抽水蓄能电站：四台主变压器低压侧均安装有电抗器，其中2、4号主变压器低压侧经电抗器供SFC和高压厂用变压器用电，1、3号主变压器低压侧经电抗器后仅供高压厂用变压器用电。在正常运行时SFC和高压厂用变压器可以经由不同的主变压器供电，这样谐波产生的影响就小，在1号和3号主变压器同时停电检修时才切换至由另外一台主变压器经电抗器后给SFC和高压厂用变压器同时供电，这种情况下谐波对厂用电的影响与方式1相同，但这种情况出现的几率较少。这种接线方式中有两种参数不同的限流电抗器，一种只针对高压厂用变压器负荷计算确定，一种针对SFC和高压厂用变压器同时供电负荷计算确定。方式4接线示意图见图4。

图4 方式4接线示意图

各电站电抗器配置参数见表1。

表1 各电站电抗器配置参数表

4 抑制谐波的改进方案及电抗器的选型

结合泰山抽水蓄能电站的接线情况，如果采用在2、4号主变压器低压侧加装电抗器需要增加一组隔离开关，主变压器低压侧的接线要做较大的改动，不经济可行。较为经济可行的方案应该是在目前接线的方式下进行较小的改动，由方式1改为方式2，在1、3号主变压器低压侧电抗器位置再各增加一组电抗器用于单独给高压厂用变压器供电，根据高压厂用变压器的参数重新计算选取合适的电抗器，应该是较为合理、经济的改造方案。这个方案仅需要增加两组电抗器、连接所需的铜排和绝缘子及其支架，不需要增加其他设备。

在高压厂用变压器高压侧单独增加限流电抗器，电抗器额定电压为15.75kV，高压厂用变压器额定电流为231A，按照1.1～1.2倍的额定电流计算为254.1～277.2A，结合JB 629《限流电抗器》标准，额定选择为350A。

15.75kV电压等级下短路基准电流为：

根据目前高压厂用变压器高压侧开关配置情况，要求电抗器后的短路电流小于25kA，电源至电抗器后的短路点的总电抗标幺值为：

系统最大运行方式，电源至电抗器前的系统电抗标幺值为：

因此电抗器的标幺值为：

电抗百分数为：

结合JB 629《限流电抗器》标准，电抗百分数取2%。

SFC额定容量为19.39MVA，额定电流为710A，按照1.1～1.2倍的额定电流计算为781～852A，结合JB 629《限流电抗器》标准，额定选择为850A。

电抗百分数为：

参照JB 629《限流电抗器》标准，并考虑充足的短路裕量，电抗百分数可取4%。

参照电抗器电抗百分数与电感值的计算公式，则850A，4%的电抗器电感值为：

泰山抽水蓄能电站原有电抗器参数是根据高压厂用变压器高压侧开关和SFC输入开关额定开断的短路电流为25kA进行计算得到电抗器的参数为额定电压15.75kV、额定电流1250A、1mH，电抗器厂家根据电感值确定的电抗百分数为选择为3.5%。折算得到电抗标幺值为（15.75kV，100MVA）:

数值小于按照25kA短路电流进行核算后得到的电抗器最小的电抗标幺值0.113895658。

按照JB 629《限流电抗器》标准，电抗百分数至少应取4%。目前安装的限流电抗器电抗百分数为3.5%，低于计算值。如果按照发电机厂家计算得到的电感值为1mH，电抗百分数选择为3.5%，则根据可得到额定电流为1031.33A，因此原电抗器存在选型额定电流偏大、电抗百分数偏小的问题。

5 短路电流和电压损失校核

5.1 短路电流校核

1、3号主变压器低压侧的至SFC的电抗器选型为15.75kV、850A、电抗百分数为4%的限流电抗器，系统最大运行方式电抗器后短路最大电流为17.8605kA；至高压厂用变压器的电抗器为15.75kV、350A、电抗百分数为2%的限流电抗器，系统最大运行方式电抗器后短路最大电流为15.1343kA。短路电流满足要求。

5.2 电压损失校验

正常运行时的电压损失：要求小于5%。

SFC电抗器的电压损失为：

高压厂用变压器电抗器的电压损失为：

满足要求。

5.3 电抗器后面短路母线残压校验

要求大于60%～70%。校验公式：

SFC电抗器后面短路母线残压：

高压厂用变压器电抗器后面短路母线残压：

满足要求。

6 其他需要注意的问题

6.1 注意电抗器选型时电抗器的热稳定电流与最大短路电流匹配的问题

选择的电抗器的热稳定电流要大于经过该电抗器限流后的最大短路电流，在电抗器安装时要注意做好防止电动力损坏电抗器的问题，做好与电抗器连接电缆的支撑和固定。

6.2 注意铜铝连接问题

由于目前各厂家生产的限流电抗器一般为铝线圈，而电缆接线端子一般为铜质，要在生产订货时考虑铜铝过渡的连接，可在生产时采用铜铝过渡接头或者在安装时采用铜铝过渡板。

6.3 注意电抗器后短路保护的问题

目前抽水蓄能电站的保护配置对于电抗器后短路考虑的不足，电抗器后短路时，由于电抗器的限流作用使短路电流减小，主变压器高压侧的后备过流保护如果整定和配置考虑不周，将造成电抗器后短路缺少后备保护，应考虑其他的后备保护予以补充。

7 结束语

泰山抽水蓄能电站厂用电谐波治理改造工作已在2013年底完成，安装了额定电流为850A和350A的限流电抗器各两组，改造后2014年对厂用电电能质量进行了测试，SFC启动中厂用电10kV母线电压总畸变率降为4.0%左右，已经达到了GB/T 14549《电能质量 公用电网谐波》中对公用电网谐波电压限值的要求。从近几年抽水蓄能电站的设计上，各设计院已经对限流电抗器的配置进行了逐步优化，但投产时间长的电站，还需要对SFC运行中产生谐波的影响予以关注，必要时开展相应的改造工作。

[1] 梁见诚，杨梅.蓄能机组变频启动过程的谐波限制[J].水电站机电技术，2004，12.

郝国文(1981—)，男，大学本科学历，工程师，国网新源控股有限公司运维检修部电气二次主管，主要从事抽水蓄能电站电气二次设备管理。

Restrain Harmonic of Station Service in the Pumped Storage Power Station

HAO Guowen
（State Grid XinYuan Company LTD.，Beijing 100761，China）

Describes the influence of the Static frequency converter emits harmonics in the pumped storage power station，analyzed several kinds of main wiring，explains the inhibitory effect on the reactor configuration for harmonic.Formulated to reduce harmonic scheme for Taishan pumped storage power station，calculated the reactor parameter. And puts forward some problems need to be attention，which can provide reference for the design and reconstruction of other Pumped storage power station in the future.

pumped storage power plant；auxiliary power supply；SFC；harmonic