火电厂谐波抑制措施及设备选型优化研究

聂 岩

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

变频器的应用可以提高火电厂电动机控制的灵活性和热力系统的运行效率，但变频器运行产生的谐波会严重影响厂用电系统的电能质量，引起有功元件过热、绝缘击穿、电子元件故障、继电保护误动作等问题。目前电厂常用的谐波治理手段，如有源滤波、混合型滤波，虽然能够有效滤除谐波，但运行效果一般，经济性较差。本文结合具体工程项目，利用电厂内电气系统相对独立、谐波对公共电网质量影响不大的特点，基于文献[1]适当放宽了对低压厂用电系统谐波限值要求，通过综合性的谐波抑制手段，有效控制了母线谐波水平，同时省去了价格较高的有源滤波装置。

1 厂用电系统谐波的产生和危害

火电厂厂用电系统谐波源主要来自低压变频器。低压变频器普遍采用三相六脉冲整流桥，该整流桥在运行过程中会产生大量的5、7、11、13等6n±1（n=1，2，3，…）次奇次谐波，导致电流波形畸变严重。同时，谐波电流会在工作变压器低压侧产生谐波畸变电压，进而对电气系统产生如下危害：谐波磁通、涡流加热引起变压器、电缆等元件降容；电气元件绝缘损伤；谐波放大引起电容器组故障；熔断器非短路过载故障熔断；继电保护误动作；仪表信号电磁干扰；旋转设备谐波转矩可能引发谐振。

2 源端谐波抑制措施

变频器产生的谐波通过相连的电路同时向源端和输出端发射。变频器输出端的谐波危害可以通过输出端加装谐波装置、提高电动机和电缆绝缘性能、优化电动机冷却系统等措施来控制，而且输出端谐波的危害范围有限，因此本文重点讨论主要的源端谐波优化措施。

2.1 相位倍增

三相变压器成对采用Δ-Y和Y-Y型接线，产生30°相位角，形成相位倍增，消除变压器高压侧5、7、17……等奇次谐波，使6脉冲变频器的谐波波形合成类似12脉冲的效果，大幅降低中压母线上的低次奇次谐波。

2.2 输入电抗器

文献[2]显示，一台6脉冲变频器产生的谐波电流畸变率约为22%，增加了电源电抗器后，总谐波电流畸变率降为15%。根据文献[3]规定，通过在变频器的电源端增加限流电抗器，可大幅降低变频器的电流畸变率。

2.3 有源滤波器和混合型滤波器

有源滤波器是较有效的谐波抑制和消除手段，装置通过向系统注入反极性的谐波电流，中和非线性负载引起的畸变，从而达到消除谐波的目的。目前国内空冷机组谐波抑制普遍采用有源滤波方式。有源滤波装置成本较高，国内有源滤波装置成本大约在300～1 500元∕A。例如，对于谐波电流比较集中的空冷机组空冷PC（Power Center，简称PC）段母线采用有源滤波进行单段母线的谐波抑制，费用高达近百万元，初始投资高，且前期难以准确估算谐波含量，给工程前期设计和投资评价带来较大困难。混合型滤波器结合了有源滤波器和无源滤波器，可适当降低单位电流滤波成本，但是整体复杂度和成本仍然偏高。

3 火电厂厂用电系统优化分析

3.1 厂用电系统优化目的

针对厂用电系统的谐波优化主要有两个目的：一是限制穿过工作变压器和主母线的谐波电流不超过限值，避免谐波电流畸变分量引起额外的绝缘过热，损伤变压器和母线，最有效的限制措施是提高设备的额定容量；二是限制母线电压变化率和总谐波电压畸变率不超过限值，减少谐波电压对绝缘和电子元件的危害，降低控制和保护设备误动作的概率。由于厂用电系统的谐波电压畸变主要由谐波电流和电源回路阻抗产生，因此设计时需尽可能降低系统阻抗，即厂用电支路上工作变压器和串联电抗器的阻抗。

3.2 厂用电系统的特点和谐波限值

火电厂的低压变频器主要用在空冷电动机和工况变化较大的水泵电动机驱动上，其中最为典型的是空冷系统，其配置的低压变频器数量多、功率大，极易引发谐波危害。根据DL∕T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》规定，为了降低变频装置对其他系统的影响，空冷系统一般由专用的低压厂用变压器和厂用母线集中供电。

针对厂用电系统谐波限值水平，GB∕T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》和DL∕T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》规定，10 kV系统的谐波电压畸变率限值为4%，380 V系统的谐波电压畸变率限值为5%。其中DL∕T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》规定，考虑到发电厂厂用电系统的非商用系统特性，对谐波限值不宜规定太严，该规程虽然对谐波电压畸变率限值给出的推荐值与GB∕T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》一致，但不作为强制性规定。DL∕T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》没有给出具体的放宽措施，导致多数项目仍按规程要求限值执行。

实践证明，由于规程规定限值要求过高，项目建设期在谐波抑制上的投资高，产生的经济效益不明显[4-5]。例如，某大型火电厂两台660 MW空冷机组，对其中1台机组进行谐波抑制改造，加装有源滤波装置，改造时仅设备费用就约为500万元。改造后，经测试母线谐波水平大大降低，但经数年运行实践，与未改造的机组相比，两台机组的空冷系统设备状态和运行故障率相差不大，而有源滤波装置却增加了电气设备运行维护工作量，改造的经济性不高[6-7]。因此，适当放宽电厂厂用电系统谐波限值，有利于降低企业的基建和运行成本，提高企业经济效益。国际标准对工业企业内部各次谐波给出了更宽的谐波电压畸变率限值要求，如表1所示，表中n为谐波次数。总谐波电压畸变率要求不超过10%。结合电厂的实践经验，该限值更具有可操作性。

表1 适用于工业环境内部连接点谐波电压畸变率限值

4 案例分析

空冷段厂用电系统接线如图1所示，其中空冷变压器容量为2 000 kVA，初始设计阻抗电压百分比为10%，接线组别分别为Dyn11和Yyn0的两台空冷变压器成对接在10 kV工作段母线上。每段空冷PC段母线带11台132 kW的空冷电动机，电动机采用变频调速驱动方式，变频器为6脉冲低压变频器。

图1 空冷段厂用电系统接线图

该初步设计方案采用了常规的谐波抑制措施，通过成对的相移30°三相变压器连接到10 kV母线上，减少源端10 kV母线的低次谐波含量；选择带有输入和输出电抗器的变频器，减少变频器谐波的输出，单台变频器提供的总谐波电压畸变率为2.2%；设置集中的低压变频器母线段，由专用变压器供电，空冷变压器选型容量超过了电动机总容量的1.25倍，而电动机实际满载运行容量约为额定容量的90%。

4.1 优化前谐波仿真结果

采用ETAP软件对厂用电系统谐波进行计算，计算结果如表2—4所示。10 kV母线总谐波电压畸变率为1.21%，380 V母线总谐波电压畸变率为21.4%。空冷变压器低压侧总谐波电流畸变率为28.47%，总电流为2 651 A。

表2 10 kV母线谐波电压畸变率

表3 380 V母线谐波电压畸变率

表4 空冷变压器谐波电流畸变率

由计算结果可知，10 kV母线段由于短路容量较大，且变压器采用了相位倍增的接线方式，总谐波电压畸变率较低，仅为1.21%，满足GB∕T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》对母线谐波电压畸变率的要求。空冷变压器低压侧总谐波电流畸变率为28.47%，但总电流为2 651 A，小于空冷变压器额定电流。空冷段380 V母线电压畸变严重，畸变率达到了21.4%，需要采取限制措施。

4.2 优化后谐波仿真结果

空冷段上全部为变频设备，当母线发生短路时，没有电动机反馈电流，因此可根据短路计算结果选择阻抗较小的空冷变压器。通过短路计算，空冷变压器可选取的最小阻抗电压百分比为5%，调整阻抗后，系统谐波计算的结果如表5—7所示。10 kV母线总谐波电压畸变率为1.26%，380 V母线总谐波电压畸变率为10%。空冷变压器低压侧总谐波电流畸变率为30.26%，总电流为2 504 A。

表5 10 kV母线谐波电压畸变率

表6 380 V母线谐波电压畸变率

表7 空冷变压器谐波电流畸变率

由计算结果可知，空冷段母线谐波电流占比略有提高，但总电流降低，谐波电压畸变率降到了10%。目前火电厂厂用电系统设计规范并没有明确规定母线总谐波电压畸变率，而GB∕T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》提出的公用电网谐波限制过于严格，难以在电厂应用。本文采纳了文献[1]推荐的第3类谐波电压限值，经优化后的谐波电压畸变率能够满足该标准的要求。

5 结语

本文通过谐波分析和短路计算，优化了火电厂厂用变压器的容量和阻抗，在系统层面最大限度降低了谐波对电气设备的危害。同时采纳文献[1]对工业环境内部连接点谐波水平的要求，为设计阶段厂用电系统谐波限制水平提供了设计和优化的依据，具有较好的技术经济性。