抽水蓄能电站静止变频启动电能质量分析与抑制措施研究

袁 波，吕鹏飞，茅雨培，张顺仁，李晟宇

（1.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司 辽宁蒲石河电站，辽宁省丹东市 118216；2.上海明华电力科技有限公司，上海市 200090）

0 引言

抽水蓄能电站在电网运行过程中，不仅具有削峰填谷、调频调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能，而且节能环保无污染，是保障电力系统安全、经济运行的有效调控手段。抽水蓄能电站机组在电力系统轻载、电能富余的时候启动抽水工况，其启动方式主要有静止变频启动装置（SFC）启动和背靠背（BTB）启动两种，其中SFC启动方式是主用方式，但SFC启动过程将对厂用电电能质量带来一定的影响。本文将在SFC启动过程中，通过对厂用电多个关键节点的测量，对电能质量问题加以衡量，并在RTDS平台搭建全电站仿真模型，分析不同治理措施下的仿真结果，以找到最佳的解决方案。

1 SFC启动过程

1.1 SFC结构

静止变频启动装置（SFC）采用三相桥式全控电路，可提供12脉冲和6脉冲两种拓扑结构，通过串联可实现电压以及功率的扩展，并将变频器对电网和电机的谐波影响降到最低。图1为抽水蓄能机组SFC常用12-6脉冲典型的静止变频启动装置结构，其中网桥起整流的作用，通过触发脉冲控制维持直流电流稳定。机侧变频器起到逆变作用，以逐渐升高的频率交替向电机定子某两相通入电流，产生始终超前于转子磁场的定子旋转磁场，与转子磁场的相互作用，实现机组启动。SFC运行时产生的主要特征谐波次数h为：

图1 SFC典型结构示意图Figure 1 SFC drag motor typical structure diagram

其中k是正整数，p是整流桥脉冲数。因此，系统主要特征谐波次数为11、13、23、25……

1.2 SFC启动过程与换相机制

SFC 在抽水蓄能同步电机启动过程中，主要分为两个阶段：①低速阶段（0～5Hz）。此阶段由于转速较低，机端电压较小，机桥不能进行自动换相，需要采用脉冲耦合方式进行强迫换相。②高速阶段（5Hz以上）。此时发电电动机具有一定的转速，经过励磁控制系统在机端建立一定的电压水平，SFC 可以工作在自然换相阶段，电机进入同步运行模式。SFC通过控制网桥和机桥的触发脉冲，将输出频率逐步调整至50Hz左右。

低速运行阶段电动机转子位置和电磁力矩的方向是两个关键因素。电动机转子转速低于5Hz时，为了获得更大的电磁力矩，同时避免输出变压器在过低频状态运行，由机桥直接带电动机运行。电动机转子转速高于5Hz时，投入输出变压器运行。

2 SFC启动过程实测与仿真

2.1 SFC启动过程实测

抽水蓄能电站SFC启动电机系统结构如图2所示。

图2 抽水蓄能电站系统结构图Figure 2 System structure diagram of pumped storage station

其中主变压器容量为360MVA，电压等级500/18kV，主变压器低压侧经电抗器联结SFC，变频设备通过开关切换拖动对应的发电电动机，站内10kV和400V站用电母线分别为2段和18段。实测过程考虑到不同的运行方式、不同的测量点选择，得到电机拖动运行时机端以及系统其他运行点实时的电压电流曲线。

图3中分别显示主变压器高压侧电压、低压侧电流以及发电机端启动过程中电压与电流，由图可知电机启动时间大约224s，开始启动时刻96.19s，低速强迫换相阶段持续12.12s，在此阶段电压电流波形谐波含量较高，其中以11、13次为主，从116.14s进入自然换相阶段，直到323.25s左右电机运行到50Hz，此阶段电机消耗大量的无功功率，使系统电压进一步降低，从而影响到厂用电的正常运行，例如灯光闪烁、电机振动、自动装置的误动作等。

图3 SFC拖动过程中现场实测波形Figure 3 Field measured waveform during SFC dragging

2.2 SFC启动过程仿真运行

根据抽水蓄能结构图，本文基于RTDS建立仿真系统如图4所示。

图4 抽水蓄能电站仿真运行图Figure 4 Simulation diagram of pumped storage power station

设备经调试运行，在变频启动过程中，电能质量存在的主要问题是谐波和电压降落问题。其中谐波电流11、13次较为明显，造成本侧10kVⅡ母电压畸变，过程中总电压谐波畸变率最高达到6.39%，同时在拖动电机电流逐渐增加到615A，机端电压降落大约为3.98%，部分仿真如图5所示，四张仿真结果分别是Ⅱ母电压、Ⅰ母电压、Ⅱ母电流和Ⅱ母电流傅里叶变换。

图5 SFC拖动电机产生谐波Figure 5 SFC drag motor produces harmonics

2.3 SFC装置的谐波限制指标分析

根据GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》标准，将厂用高压变压器高压侧18kV作为第一电压等级，以国标10kV电网电压总谐波畸变率的允许值4%为基础，进行推算：

其中Kx是上下级电网短路容量之比，KS是上下级电网供电容量之比，为尽量与国际标准靠拢，取推算值的高限，可以得到18kV级的谐波电压总畸变率的允许值为3.5%。

3 谐波抑制措施仿真分析

对于抽水蓄能电站所用的SFC装置谐波抑制方法从两个方面加以考虑。一是从减少电力电子设备本身所发出的谐波，研制新型低谐波电力电子装置。二是从系统上考虑采用各种滤波措施以及改进供电系统结构。由于方法一涉及SFC装置本身，现场改进的机会不大，所以本文将从方法二开展电能质量分析与研究，且着重在以下三方面：

3.1 无源滤波器

无源滤波由于对电压具有较高的承受程度、较大的容量、结构简单、成本低，对特征次谐波具有较为明显的滤波效果，同时由于其在基波频率下具有无功补偿的能力，因此可以作为SFC拖动电机运行时提高电能质量的措施之一。从现场测试可以看出，SFC启动过程稳态条件下水泵水轮机电流约615A，相位滞后电压约90°，补偿电容的参数设置如表1所示。

表1 不同功率因数下的滤波器参数设计与抑制效果Table 1 Filter parameter design and suppression effect under different power factors

表1显示，在电源侧设置11、13次滤波装置，既可以达到滤除谐波的效果，同时由于在基波条件下起到无功补偿作用，在SFC启动过程中防止电压跌落的效果也非常明显。但无源滤波器的缺陷在于它是针对最严重的几次谐波分量而装设的单调谐滤波器，对于特征不明显的谐波含量滤波效果不是很明显，并且补偿特性易受运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振而导致滤波器过载，因此在实际使用过程中也受到谐波条件的约束。

3.2 增设限流电抗器

抽水蓄能电站SFC启动过程中，会受到场地、系统复杂性等多种因数影响，对系统本身结构进行修改是抑制谐波的另一种有效方法。如图4所示，四台主变压器低压侧均装有限流电抗器，针对SFC和厂用高压变压器同时供电负荷的情况，可以在2、4号主变压器低压侧再各增加一组限流电抗器用于单独给厂用高压变压器供电，并为其连接所需的铜排和绝缘子及其支架[1-10]。根据GB/T 1094.6—2011《电抗器》标准，得到基准电流Id和基准电压Ud的值；根据电站基本参数，得到电源至电抗器的总电抗x＇、短路电流限制值I″、额定电流IN和额定电压UN。可以按下式计算对应的电抗百分数：

按照GB/T 1094.6—2011《电力变压器 第6部分：电抗器》标准，并考虑充足的断路裕度，电抗百分数取4%，此时的电抗器电感值约为1.5mH。

对仿真系统做出修改后，观察滤除谐波的效果，仿真运行图如图6所示。

图6 注入系统的谐波含量Figure 6 Injected harmonic content of the system

由仿真结果可知，11、13次谐波含量降至0.2%，总谐波畸变率降至1%以下。增设限流电抗器可以有效滤除SFC启动时所产生的谐波。

3.3 改变系统运行方式

通过改变SFC启动时系统运行方式对改善电能质量也能起到一定的作用。在SFC运行过程中，原先SFC和2号厂用高压变压器18kV侧同时由4号主变压器供电，SFC与厂用负载间的电气距离仅有2号厂用高压变压器，电抗标幺值为1.7840。现改为分别取自2号和4号主变压器供电。SFC与厂用负载间的电气距离变为2号厂用高压变压器、2号电抗器、4号电抗器、2号主变压器和4号主变压器，整体电抗标幺值为2.1278，有明显的升高。

仿真结果如图7所示，Ⅱ母电压跌落由原来的3.98%降至0.1%。此时，总谐波畸变率降至1%以下。限制运行方式对改善电能质量的效果十分明显。

图7 电压降落对比图Figure 7 Voltage drop comparison results

4 结论

本文针对抽水蓄能电站SFC启动过程中的电能质量问题建立了大型电站模型，并就此问题的抑制措施加以分析和研究。结果表明，在SFC侧采用无源滤波对于特征量明显的谐波具有良好的效果，但会带来其他的运维问题；为厂用高压变压器单独增设一组限流电抗器，能有效抑制SFC给厂用设备带来的电能质量问题；改变SFC启动过程中系统运行方式同样可以抑制启动过程中带来的电能质量问题。