发电厂厂用电系统中电子开关型谐波源分析

2016-04-18李虎

综合智慧能源 2016年11期

关键词：点火器厂用电整流器

李虎

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

发电厂厂用电系统中电子开关型谐波源分析

李虎

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222042）

发电厂厂用电系统中越来越多采用电子开关型设备，不可避免的引入谐波污染。综合考虑发电厂中4种电子开关型谐波源，分别对其进行了理论研究与仿真分析，并通过对某发电厂6 kV厂用电母线进行整体仿真分析谐波源对母线的影响。结果表明，一般情况下厂用电谐波源由于容量较小且多具备自身滤波措施，不会对母线产生较大影响。实际测量结果验证了理论与仿真的正确性。

厂用电系统；电子开关型谐波源；仿真；谐波污染

0 引言

在发电厂厂用电系统中，主要存在2种类型的谐波源：铁磁饱和型与电子开关型［1］。铁磁饱和型谐波源主要包括各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其由于存在铁芯饱和现象而具有非线性。电子开关型谐波源主要为各种电力电子开关型设备，其通过脉冲间断的方式从电力系统中吸收电流，呈现非线性。

目前发电厂厂用电系统中越来越多使用电子开关型设备，会产生大量谐波污染［2-3］，谐波可能造成损耗增加、保护误动作和计量仪器不准确［4-8］。谐波是电能质量标准的一项重要指标，对电厂发电机出口以及厂用母线的谐波分量进行监测与治理非常必要。目前已有部分针对发电厂厂用电系统谐波污染的研究，如文献［9-14］都是针对发电厂厂用电系统中的谐波的分析与抑制，但这些研究或是只针对某单一谐波源进行分析，或是只做概述型定性分析而未进行具体研究。

本文综合考虑发电厂厂用电系统中多类主要的电子开关型谐波源，针对每类谐波源进行具体理论与仿真分析，可作为发电厂出具具体谐波治理方案、投运新设备前进行电能质量评估等工作的理论依据，具有较好的参考价值。

1 发电厂电子开关型谐波源分析

发电厂厂用电系统中的电子开关型谐波源一般主要包括如下几类：高压变频器、低压变频器、等离子点火器、不间断电源（UPS）。下面对以上4类谐波源进行简要介绍与分析。

1.1 高压变频器

发电厂中的高压变频器主要用于电机变频调速，某6 kV高压变频调速系统结构如图1所示。

图1中所示A，B，C 3相高压变频装置共有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为3组。根据电压等级和单元串联级数，一般由24，30，36，48，54脉冲系列等构成多级移相叠加的整流方式，通过电流多重化技术减少对电网反馈的谐波，可以大大改善网侧的电流波形，减小对电网的谐波污染。

1.2 低压变频器

低压变频器电压等级一般在1 kV以下，某带有进线滤波器的400V低压变频器结构如图2所示。

图2中所示的400 V低压变频器的输入侧是6脉动的三相整流桥，低压变频器对电网有很高的谐波噪声影响，线电流中含谐波次数为n×6±1，其中n为1，2，3等整数。总谐波电流畸变率（THD）为30%～45%，可以通过安装滤波器或12脉动的方式来减小谐波含量，最小谐波电流含量可以达到10%。图2中低压变频器由于增加了网侧进线滤波器，输入侧的谐波得以滤除，但在运行时，也会通过输出侧向电网注入一定数量的谐波电流。低压变频器一般是对系统注入谐波的电流的主要因素。

1.3 等离子点火器

等离子发生器电源系统由隔离变压器和电源柜2大部分组成。电源柜内主要有由6组大功率晶闸管组成的三相全控整流器、大功率直流调速器、直流电抗器、交流接触器、可编程逻辑控制器等。

图1 高压变频调速系统结构

图2 某低压变频器结构

等离子点火器整流器拓扑结构如图3所示，其中V1～V6共6个晶闸管接成三相全控整流桥。三相桥式全控整流电路为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，因此整流电路在任何时刻都必须有2个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中1个晶闸管是共阴极的，另1个晶闸管是共阳极的，所以必须对2组中要导通的1对晶闸管同时给触发脉冲。整流器采用双脉冲触发方式，即在触发某＃1晶闸管的同时给前＃1晶闸管补发一个脉冲，相当于用2个窄脉冲等效替代大于60°的宽脉冲。

1.4 不间断电源（UPS）

UPS主要由逆变器、蓄电池、整流器/充电器和转换开关等组成。此类设备采用三相桥式二极管整流结构，经直流稳压环节后，再进行PWM逆变。某100 kV·A不间断电源的整流器拓扑结构如图4所示。

图3 等离子点火器整流器拓扑结构

图4 UPS整流器拓扑结构

图4所示的结构由2组首端连接移相变压器的6脉冲整流器构成，其直流母线电流由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流器。2个整流桥产生的5次、7次、17次、19次等谐波相互抵消，注入电网的只有12 k±1（k为正整数）次谐波，即11，13，23，25等各次谐波，且其有效值与谐波次数成反比，与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

2 发电厂电子开关型谐波源仿真

2.1 高压变频器仿真分析

图1中高压变频装置输出的最大频率变化范围为0.5～120 Hz，实际运行时的频率调节范围为45～55Hz，电机机端电压变化范围为5.4～6.0 kV。根据高压变频器的结构和参数，在仿真软件PSCAD 4.2中搭建高压变频器的仿真模型，通过仿真来分析高压变频器对网侧电能质量的影响，仿真结果如图5～6所示。

图5 高压变频器进线电流仿真波形

图6 高压变频器进线电流谐波百分比

图5为高压变频器的A相进线电流仿真波形，其波形接近正弦但有明显高频谐波。高压变频器采用多级移相叠加的整流方式，不仅解决了器件的耐压问题，还通过对每个单元的PWM波形进行重组，该电流多重化技术减少了对电网反馈的谐波，减小了对电网的谐波污染。

图6为高压变频器A相进线电流谐波百分比，图中所示信息反映出高压变频器电流的总体谐波含量较小，幅值相对较大的谐波出现在6 k±1（k为正整数）次。这是由于高压变频器的前端采用了多绕组的移相变压器，使得各个单元的输入侧的不控整流注入的谐波电流相互叠加，从而抵消了输入侧的某些频次电流谐波。

2.2 低压变频器仿真分析

对图2中的400 V低压变频器进行仿真分析，根据其结构与参数在仿真软件PSCAD 4.2中搭建加入进线滤波器的低压变频器仿真模型。仿真模型电压为400V，满载电流为1 200A，整流器采用三相桥式二极管整流结构，仿真结果如图7～8所示。

图7 低压变频器进线电流仿真波形

图8 低压变频器进线电流谐波百分比

图7为400V低压变频器的A相进线电流仿真波形，可见实际电流波形与正弦波形有一定差别，谐波含量较低。在输出满载运行的情况下，输入侧的谐波电流也相应增大。

图8为400V低压变频器A相进线电流谐波百分比，根据图中反映出的信息可知，400 V低压变频器的各频次电流谐波中，幅值最大的5次谐波约为基波幅值的5%。虽然低压变频器未采取多重化、多电平化等技术，但由于增加了进线滤波器，仍将电流谐波含量限制在了较低限度内。

2.3 等离子点火器仿真分析

根据图3所示的结构在PSCAD 4.2中搭建等离子点火器的整流柜模型，具体参数如下：输入电压，400V；满载输入电流，332 A；频率范围，45～65 Hz；最大直流输出电压，485 V；满载直流输出电流，400A。仿真结果如图9～10所示。

图9 等离子点火器进线电流仿真波形

图10 等离子点火器进线电流谐波百分比

图9为等离子点火器A相进线电流仿真波形，可见其波形与低压变频器的电流波形类似，与正弦波形差别很大，谐波含量高。图10为等离子点火器A相进线电流谐波含量百分比，产生谐波电流的次数为6 k±1（k为正整数）次，其中幅值最大的谐波为5次谐波，其幅值约为基波幅值的70%，另外也会产生7，11等次的谐波电流。但由于等离子点火器电压较低，容量较小，所以对高压母线影响不是很大。

2.4 不间断电源（UPS）仿真分析

根据图4中的12脉波整流器结构与参数在PSCAD 4.2中搭建UPS整流器模型，其工作电压为220 V，满载电流为250 A，仿真结果如图11～12所示。

图11 UPS进线电流仿真波形

图12 UPS进线电流谐波百分比

图11为UPS的A相进线电流波形，其波形接近正弦。图12为UPSA相进线电流谐波含量百分比，产生谐波电流的次数为12 k±1（k为正整数）次，这是因为12脉波整流器是采用2组6脉波整流器叠加，降低了电流谐波含量。

3 实例分析

本节选择某火电厂6 kV厂用电母线作为研究实例进行分析，该母线由单台主变供电，接入变压器数量为2台，参数为50/31.5/31.5MV·A和27/6.3-6.3 kV，母线所连设备包括高压水泵、高压风机、高压变频器、等离子点火器、不间断电源、低压变频器等，其中高压变频器、等离子点火器、不间断电源、低压变频器属于电子开关型谐波源。

3.1 母线整体仿真分析

在PSCAD 4.2中搭建仿真模型，6 kV厂用电母线负载为20MV·A，将所有电子开关型谐波源满载加入母线，仿真结果电压总畸变率THD＝0.588，仿真波形如图13所示。

图13 6 kV母线三相电流仿真波形

仿真谐波电流幅值如图14所示，由图中可知，幅值最大的谐波电流为5次、7次谐波，其幅值约为5A，与基波电流（幅值2 kA）相比很小。仿真结果表明，虽然某些谐波源THD较大，但由于其功率相对母线功率很小，所以产生的谐波污染较小，符合相应国家标准［15］。

图14 6 kV母线电流谐波幅值

3.2 母线谐波实测结果

对该发电厂厂用电母线编号为6 kV-61B、6 kV-62B的两段母线进行实际测量，本次谐波检测时间为两段母线分别持续40 min，测试周期为0.25 s，统计周期为40min。测试过程中用户大部分设备投入工作，负荷在15MV·A左右。

通过对各时段的统计结果进行分析，华能金陵电厂标号为61B和62B的6 kV母线电压为6.1 kV，电压总畸变率均在0.5%左右，与3.1节中仿真结果相符，达到了规定的6 kV电压等级电压总谐波畸变率低于4.0%的要求。

4 结束语

本文就发电厂厂用电系统中的电子开关型谐波源进行了分析研究，综合考虑了高压变频器、低压变频器、等离子点火器、不间断电源四种类型的谐波源，并分别对其进行理论研究和仿真分析。母线整体仿真表明，4种类型的谐波源或是采用进线滤波器、电流多重化等技术减小谐波，或是由于本身容量较小，对厂用电母线影响一般能控制在国家标准要求之内，实例测量结果也验证了仿真结果的正确性。对发电厂厂用电谐波分析与治理具有一定参考价值。

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