基于Matlab/Simulink仿真的H级燃机发电机静态变频启动装置谐波分析

胡可嘉，张军，张天宇，高立新

基于Matlab/Simulink仿真的H级燃机发电机静态变频启动装置谐波分析

胡可嘉1，张军1，张天宇2，高立新3

（1．上海闵行燃气发电有限公司，上海市 闵行区 200245；2．土耳其EMBA公司，上海市 黄浦区 200010；3．上海电力大学环境与化学工程学院，上海市 杨浦区 200090）

随着燃气‒蒸汽联合循环发电技术不断发展，发电机容量和参数要求不断提升。H级燃气‒蒸汽联合循环发电机组的发电机需具备更为稳定、高效、安全的启动要求。为此，静态变频装置(static frequency converter，SFC)启动技术发展也迎来新的挑战。SFC启动技术精准、灵活、高效控制的同时，产生的谐波分量会对电源系统的电能质量有一定的影响。通过Matlab/Simulink建立H级燃机发电机SFC启动仿真模型，模拟发电机启动过程，观察系统参数变化，分析谐波分量占比。仿真结果显示，采用SFC启动可通过调节输出电流的频率和幅值，柔性提升发电机的转速，发电机启动受冲击小。但SFC内置大量非线性电气元件，会使大量谐波分量涌入系统之中，影响电能质量。因此，提出2种抑制谐波影响的SFC接入优化方案，即增设输入电抗器方案和输入电源改接发电机机端方案。通过仿真模型证实了2种方案都可有效抑制或减少谐波影响，满足电能质量要求。

燃气‒蒸汽联合循环发电；静态变频装置(SFC)；变频调速；重型燃机发电机；谐波分析

0 引言

燃气‒蒸汽联合循环发电是传统火力发电领域高效清洁发电技术，而H级重型燃机的研发、生产和装备能力是国家在重工业发展水平的重要标志之一。H级重型燃机不仅有利于传统高效清洁发电行业，而且对于我国航天、船舶、分布式能源等领域的发展意义重大。近年来，我国在H级重型燃机的引进、研发、国产化的进程中，始终保持对科研力量和资金需求的大力投入[1]。

随着H级重型燃机的不断发展，与之配套的发电机及其电气设备的研发和装备也成为重点研究领域。由于燃机装机容量不断增大，配套发电机及其电气设备的生产工艺、制造材料、参数设定、运行方式等具有更为苛刻的设计要求，甚至使常规技术已无法满足，需进一步研究和突破，寻找新的解决方案。

重型燃机发电机多采用静态变频装置(static frequency converter，SFC)启动。SFC通过PI控制调节发电机定子输入电流的频率和幅值，柔性提升发电机转速，具有调速精准、灵活、高效等特点，发电机启动时受冲击影响小。但SFC内置大量二极管、IGBT、电感、电容等非线性电气元件，大量谐波分量涌入系统中，影响电能质量[2-3]。

谐波分量和谐波畸变率影响系统设备的正常运行，降低电能使用效率。系统设备受谐波影响而产生过热、振动、噪声等现象，加速设备老化，严重时会使设备发生故障或烧毁。系统的表计、继电保护和自动装置也会受谐波影响而发生计量错误、保护误动等[3-6]。

本文主要通过Matlab/Simulink构建H级燃机发电机SFC启动模型进行仿真，观察和分析启动过程各系统参数变化情况。并在仿真结果基础上，对系统供电电源的电流和电压波形进行FFT分析，研究SFC启动时产生的谐波影响，提出减少谐波影响的优化方案，满足电能质量要求。

1 H级燃机发电机SFC启动Matlab/ Simulink建模

按常规设计，SFC接至6kV厂用电系统[7]，接线原理如图1所示。模型中设定6kV母线额定电流为2kA，开关柜额定电流为1.25kA，额定热稳定电流为40kA，持续时间不小于3s，额定动稳定电流为100kA，系统短路容量不超过200MV∙A。中性点经中阻接地，功率因数为0.9。

图1 SFC接线原理图

SFC设定如下：采用12-6脉冲方式，最大轴功率为9.2MW，最小短路容量为250MV∙A，隔离变DDy01接线，输入变压器阻抗为11%，输出变压器阻抗为8%，隔离变压器空载额定电压为2×2168V，输出额定电流为1.595kA[8]。SFC的IGBT逆变器门脉冲受控制模块调节。

图2 发电机SFC启动Matlab/Simulink模型

H级燃机发电机SFC启动转速变化曲线如图3所示，对应的定子电流变化曲线如图4所示。从图3、4可以看出，在发电机升速过程中，转速与定子电流st成反比，与定子电流频率st成正比；随着转速增大，电流st缓慢减小，频率st逐渐趋向于系统频率，满足转速公式=60st/，其中为极对数[9]。

图3 发电机SFC启动转速变化曲线

图4 发电机SFC启动定子电流变化曲线

2 电源侧谐波分析

2.1 电能质量谐波分量要求

根据国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》的规定要求[11]，考虑谐波电流允许值和谐波电压总畸变率限值，分别见表1、2。

不同短路容量相对于基准短路容量的谐波电流修正公式如下：

式中：I为实际最小短路容量下第次谐波允许修正值；k1为实际最小短路容量；k2为基准短路容量；Ip为基准容量下第次谐波允许值。

表1 谐波电流允许值

表2 谐波电压总畸变率限值

2.2 Matlab/Simulink FFT谐波分量分析

利用Simulink模型中的Powergui FFT Analysis分析6kV电源在发电机启动过程中的各高次谐波分量情况[11]。

6kV单相电流、相间电压变化总曲线和1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s 3个时间段内的变化曲线分别如图5、6所示。可以看出，发电机变频启动升速过程中，对SFC的6kV供电电源具有一定的电流冲击影响，待升速完成后6kV电源电流趋于正常的稳定值。

对SFC的6kV供电电源的单相电流的各高次谐波进行分析。6kV电源频率=50Hz固定不变，分别选取3个时间段的电流波形进行谐波分析，选取波形的时间区间分别为1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s，即对转速启动阶段电流波形、转速中期爬升阶段电流波形、转速稳定阶段下6kV电流波形进行分析，结果如图7所示。

由图7(a)可得，1=(0.20,0.30)s时间段电流波形的有效电流1=5309A。该时间段电流波形各高次谐波值见表3。

图7(b)可得，2=(3.00,3.10)s时间段电流波形的有效电流2=2979A。该时间段电流波形各高次谐波值见表4。

由图7(c)可得，3=(9.00,9.10)s时间段电流波形的有效电流3=947.8A。该时间段电流波形各高次谐波值见表5。

图5 6kV单相电流变化曲线

图6 6kV相间电压变化曲线

表3 t1=(0.20,0.30)s电流波形各高次谐波值

表4 t2=(3.00,3.10)s电流波形各高次谐波值

表5 t3=(9.00,9.10)s电流波形各高次谐波值

此外，对1=(0.20,0.30)s、2=(3.00,3.10)s、3=(9.00,9.10)s时间段的6kV单相电压波形进行FFT分析，得到谐波电压总畸变率THDu1、THDu2、THDu3分别为5.08%、5.21%、4.40%。

通过分析可得，根据Simulink模型所设定H级燃机发电机、SFC启动装置和6kV系统参数，当发电机SFC启动时，6kV系统的电流谐波分量满足国家标准，但电压畸变率略高于国家标准。

3 2种SFC接入优化方案

谐波的产生是由本系统中阻抗、变频器、电机等非线性的负载所产生的非正弦电流、电压波形引起的[12]。虽然SFC仅在发电机启动过程中使用，运行时间短，在发电机完成升速后可立刻退出SFC，谐波分量的影响也是短暂的，对长期连续发电的主力电厂影响不大，但燃机电厂多为调峰电厂，若一年中频繁启动次数较多，久而久之会影响6kV系统寿命。因此，针对本文所建模型，提出以下2个优化方案，降低谐波带来的影响。

3.1 SFC增设输入电抗器

采用加装输入电抗器的优化方案降低谐波影响，其基本原理为：电感在交流环境下感抗大，而在直流环境下感抗接近于零，SFC的6kV输入端加装电抗器，可利用电感线圈在交流变化环境下产生的反电动势来抑制SFC启动时对6kV侧电流的冲击影响[13-14]。

电感相关公式如下：

X==2p(2)

U=jXI(3)

式中：X为感抗；为电感；为发电机运转的角速度；为高次谐波频率；U、I分别为电抗器压降、电流。

由式(2)、(3)可知，越大，电抗器的X越大，对电流中高次谐波的抑制作用也越大。而在工频状态下，电抗器仅有一定的压降[13]。因此，电抗器具备有效抑制6kV电源中高次谐波的作用。

利用已建Matalab/Simulink模型进行仿真。在6kV电源与SFC进线断路器之间增设电抗器，设定其参数电感AC=3.2mL，额定电压为6kV。模型部分改接如图8所示。

图8 SFC增设电抗器模型

以1=(0.20,0.30)s电流波形进行FFT谐波分析为例，分析结果如图9所示，可得1=(0.20,0.30)s电流波形的有效电流1L=2207A。该时间段电流波形各高次谐波值见表6。

对比分析表6与表3，在1=(0.20,0.30)s期间，即发电机转速启动阶段，安装有输入电抗器下的6kV单相电流1L=2207A，小于未安装输入电抗器下的6kV单相电流1=5309A。由此可见，增设输入电抗器可以有效地减小发电机SFC启动过程中对6kV电源系统的电流冲击。

对于电流波形的各高次谐波，安装有输入电抗器的各谐波占比率均小于未安装输入电抗器的各谐波占比率。由此可见，增设输入电抗器可以有效地抑制发电机SFC启动过程中6kV系统中的高次谐波分量。

图9 SFC增设电抗器后t1=(0.20,0.30)s电流波形FFT分析

表6 增设电抗器下t1=(0.20,0.30)s电流波形各高次谐波值

此外，对该时段内的6kV相间电压波形进行FFT分析，可得安装输入电抗器下的6kV谐波电压总畸变率THDu1L为0.59%，低于未安装输入电抗器下6kV谐波电压总畸变率5.08%，且满足国家标准要求。

综上所述，SFC在6kV电源输入端增设输入电抗器，可有效抑制电流波形中的高次谐波，减少启动过程中对6kV系统的电流冲击，降低谐波电压总畸变率，满足国家标准要求。但增设电抗器需占用一定的厂房空间，对于布置紧凑的厂房可能会带来一定困难。

3.2 SFC输入电源改由发电机机端供电

将SFC电源由6kV段改接至发电机机端与220kV主变之间，220kV电网电源通过主变降压至20kV机端电源提供给SFC。机端处具有较高的最小短路容量、额定电压和额定电流值，承受谐波分量影响能力强[15]。

利用所建模型进行仿真，将原6kV电源改为220kV电源，经主变与SFC相连，调整SFC隔离变压器额定电压和变比等参数，模拟机端环境。主变设定为额定容量610MV∙A，以额定容量为基准时的百分阻抗18%，变比(242±2×2.5%) kV/ 20kV(模型中变比取220kV/20kV)，接线方式YNd11。模型部分改接如图10所示。测量SFC启动过程中对220kV系统的谐波影响。

以1=(0.20,0.30)s电流波形进行FFT谐波分析为例，分析结果如图11所示。从图11可得，在1=(0.20,0.30)s时间段，主变220kV侧电流波形的有效电流1T1=212.2A。该时间段电流波形各高次谐波值见表7。

通过分析表7可知，SFC改接至发电机机端与220kV主变之间后，主变220kV侧电流波形的有效电流1T1=212.2A，换算至20kV侧电流波形的有效电流1T2=2334.2A，电流低于同周期内接入6kV电源下的值，因此该优化方案可减小对SFC供电电源的电流冲击。经主变后220kV侧电流波形各高次谐波的占比率虽然略高于6kV情况下的值，但仍满足国家标准的要求。

此外，对该时段内的220kV相间电压波形进行FFT分析，谐波电压总畸变率THDu1G为2.43%，低于6kV情况下的值。

图10 SFC接至发电机机端与220kV主变之间模型

图11 SFC接至发电机机端与220kV主变之间时t1=(0.20,0.30)s电流波形FFT分析

表7 SFC接至发电机机端与220kV主变之间时t1=(0.20,0.30)s电流波形各高次谐波值

综上所述，将SFC电源由6kV段改接至发电机机端与220kV主变之间，可有效地减小发电机启动过程中对电源侧的电流冲击，降低电源侧谐波电压总畸变率。但考虑到部分燃机电厂需频繁启动的运行特点，频繁波动的电流值也难免会给主变的正常运行和使用寿命带来一定影响。并且由于SFC接至发电机机端，主厂房内机端侧一次设备的布置、数量、经济性会受到一定影响。

4 结论

1）基于Matlab/Simulink仿真的H级燃机发电机SFC启动模型，可直观地模拟大容量发电机SFC启动过程。SFC控制系统采集发电机转速和定子电流值，通过内部PI控制逻辑进行运算和分析，调节并反馈调速所需的电流和频率，使发电机转速稳步上升，逐渐达到目标转速。

2）H级燃机发电机SFC输入电源的设计参数、抗冲击和抗干扰能力要求高，利用仿真模型可直观地观察和分析SFC启动过程中电源侧电流的各高次谐波值和谐波电压总畸变率。仿真结果表明：H级燃机发电机变频启动过程对SFC电源侧的电流冲击较大，受一定谐波影响。为此，提出了2种抑制谐波影响的SFC接入优化方案，通过仿真模型验证可知2种方案均有效可行，尤其是SFC增设输入电抗器的优化方案效果更佳，既可以减小SFC启动过程中对电源侧的电流冲击，又可以有效降低谐波影响。而SFC接至发电机机端与220kV主变之间的优化方案，可显著减小SFC启动过程中对电源侧的电流冲击，降低谐波电压总畸变率，但对电流高次谐波占比率和谐波电压总畸变率还有优化空间，可进一步通过增设电抗器或滤波器等其他装置达到更好的效果。

3）通过建立Matlab/Simulink模型，可以对整个发电机启动过程中6kV电源、SFC、发电机等设备的重要参数变化过程进行直观分析，且通过计算得到参数分量的变化情况，有利于在H级燃机项目前期进行更合理有效的系统设计和设备选型。

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Harmonic Analysis of H Class Gas Turbine Generator Starting With Static Frequency Converter Based on Matlab/Simulink Simulation

HU Kejia1, ZHANG Jun1, ZHANG Tianyu2, GAO Lixin3

(1. Shanghai Minhang Gas Power Generation Co., Ltd., Minhang District, Shanghai 200245, China; 2. EMBA Electricity Production Co. Inc., Huangpu District, Shanghai 200010, China; 3. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China)

With the development of gas-steam combined cycle power generation technology, the requirements of generator capacity and parameters are constantly improving. The generators of H class gas-steam combined cycle generator unit need to have more stable, efficient and safe starting requirements. It also stimulates improvement of static frequency converter (SFC) technology facing more challenge. SFC technology has displayed its advantages in controlling accurately, flexibly and efficiently. Meanwhile, SFC brings more harmonic components to influence the quality of power system. SFC start-up simulation model of H class gas turbine generator was built by Matlab/Simulink to simulate the generator start-up process, the evolvement of various parameters was researched and the proportion of harmonic components during the generator starting was analyzed. The simulation results show that the SFC start-up can increase the speed of the generator flexibly by adjusting the frequency and amplitude of the output current, and the impact of the generator start-up is small. However, large numbers of nonlinear electrical components built in SFC will cause higher proportion of harmonic components appear in power system and influence power quality. Therefore, two optimization schemes for SFC access were proposed to suppress harmonic effects, which are the scheme of adding input reactor before SFC and the scheme of changing generator end of input power supply. Through the simulation, it was proved that the two schemes can effectively suppress or reduce the harmonic effect and meet the requirements of power quality.

gas-steam combined cycle power generation;static frequency converter (SFC); variable frequency speed regulation; heavy duty gas turbine generator; harmonic analysis

10.12096/j.2096-4528.pgt.19131

TK 477; TM 611.31

国家自然科学基金项目(51571140)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51571140).

2020-01-03。

(责任编辑 尚彩娟)