抽水蓄能電站靜止變頻啟動電能質(zhì)量分析與抑制措施研究

袁 波，呂鵬飛，茅雨培，張順仁，李晟宇

（1.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司 遼寧蒲石河電站，遼寧省丹東市 118216；2.上海明華電力科技有限公司，上海市 200090）

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運行過程中，不僅具有削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動等多種功能，而且節(jié)能環(huán)保無污染，是保障電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的有效調(diào)控手段。抽水蓄能電站機組在電力系統(tǒng)輕載、電能富余的時候啟動抽水工況，其啟動方式主要有靜止變頻啟動裝置（SFC）啟動和背靠背（BTB）啟動兩種，其中SFC啟動方式是主用方式，但SFC啟動過程將對廠用電電能質(zhì)量帶來一定的影響。本文將在SFC啟動過程中，通過對廠用電多個關(guān)鍵節(jié)點的測量，對電能質(zhì)量問題加以衡量，并在RTDS平臺搭建全電站仿真模型，分析不同治理措施下的仿真結(jié)果，以找到最佳的解決方案。

1 SFC啟動過程

1.1 SFC結(jié)構(gòu)

靜止變頻啟動裝置（SFC）采用三相橋式全控電路，可提供12脈沖和6脈沖兩種拓撲結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)可實現(xiàn)電壓以及功率的擴展，并將變頻器對電網(wǎng)和電機的諧波影響降到最低。圖1為抽水蓄能機組SFC常用12-6脈沖典型的靜止變頻啟動裝置結(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)橋起整流的作用，通過觸發(fā)脈沖控制維持直流電流穩(wěn)定。機側(cè)變頻器起到逆變作用，以逐漸升高的頻率交替向電機定子某兩相通入電流，產(chǎn)生始終超前于轉(zhuǎn)子磁場的定子旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，實現(xiàn)機組啟動。SFC運行時產(chǎn)生的主要特征諧波次數(shù)h為：

圖1 SFC典型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 SFC drag motor typical structure diagram

其中k是正整數(shù)，p是整流橋脈沖數(shù)。因此，系統(tǒng)主要特征諧波次數(shù)為11、13、23、25……

1.2 SFC啟動過程與換相機制

SFC 在抽水蓄能同步電機啟動過程中，主要分為兩個階段：①低速階段（0～5Hz）。此階段由于轉(zhuǎn)速較低，機端電壓較小，機橋不能進行自動換相，需要采用脈沖耦合方式進行強迫換相。②高速階段（5Hz以上）。此時發(fā)電電動機具有一定的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過勵磁控制系統(tǒng)在機端建立一定的電壓水平，SFC 可以工作在自然換相階段，電機進入同步運行模式。SFC通過控制網(wǎng)橋和機橋的觸發(fā)脈沖，將輸出頻率逐步調(diào)整至50Hz左右。

低速運行階段電動機轉(zhuǎn)子位置和電磁力矩的方向是兩個關(guān)鍵因素。電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于5Hz時，為了獲得更大的電磁力矩，同時避免輸出變壓器在過低頻狀態(tài)運行，由機橋直接帶電動機運行。電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于5Hz時，投入輸出變壓器運行。

2 SFC啟動過程實測與仿真

2.1 SFC啟動過程實測

抽水蓄能電站SFC啟動電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抽水蓄能電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 System structure diagram of pumped storage station

其中主變壓器容量為360MVA，電壓等級500/18kV，主變壓器低壓側(cè)經(jīng)電抗器聯(lián)結(jié)SFC，變頻設(shè)備通過開關(guān)切換拖動對應(yīng)的發(fā)電電動機，站內(nèi)10kV和400V站用電母線分別為2段和18段。實測過程考慮到不同的運行方式、不同的測量點選擇，得到電機拖動運行時機端以及系統(tǒng)其他運行點實時的電壓電流曲線。

圖3中分別顯示主變壓器高壓側(cè)電壓、低壓側(cè)電流以及發(fā)電機端啟動過程中電壓與電流，由圖可知電機啟動時間大約224s，開始啟動時刻96.19s，低速強迫換相階段持續(xù)12.12s，在此階段電壓電流波形諧波含量較高，其中以11、13次為主，從116.14s進入自然換相階段，直到323.25s左右電機運行到50Hz，此階段電機消耗大量的無功功率，使系統(tǒng)電壓進一步降低，從而影響到廠用電的正常運行，例如燈光閃爍、電機振動、自動裝置的誤動作等。

圖3 SFC拖動過程中現(xiàn)場實測波形Figure 3 Field measured waveform during SFC dragging

2.2 SFC啟動過程仿真運行

根據(jù)抽水蓄能結(jié)構(gòu)圖，本文基于RTDS建立仿真系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 抽水蓄能電站仿真運行圖Figure 4 Simulation diagram of pumped storage power station

設(shè)備經(jīng)調(diào)試運行，在變頻啟動過程中，電能質(zhì)量存在的主要問題是諧波和電壓降落問題。其中諧波電流11、13次較為明顯，造成本側(cè)10kVⅡ母電壓畸變，過程中總電壓諧波畸變率最高達到6.39%，同時在拖動電機電流逐漸增加到615A，機端電壓降落大約為3.98%，部分仿真如圖5所示，四張仿真結(jié)果分別是Ⅱ母電壓、Ⅰ母電壓、Ⅱ母電流和Ⅱ母電流傅里葉變換。

圖5 SFC拖動電機產(chǎn)生諧波Figure 5 SFC drag motor produces harmonics

2.3 SFC裝置的諧波限制指標分析

根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標準，將廠用高壓變壓器高壓側(cè)18kV作為第一電壓等級，以國標10kV電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的允許值4%為基礎(chǔ)，進行推算：

其中Kx是上下級電網(wǎng)短路容量之比，KS是上下級電網(wǎng)供電容量之比，為盡量與國際標準靠攏，取推算值的高限，可以得到18kV級的諧波電壓總畸變率的允許值為3.5%。

3 諧波抑制措施仿真分析

對于抽水蓄能電站所用的SFC裝置諧波抑制方法從兩個方面加以考慮。一是從減少電力電子設(shè)備本身所發(fā)出的諧波，研制新型低諧波電力電子裝置。二是從系統(tǒng)上考慮采用各種濾波措施以及改進供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于方法一涉及SFC裝置本身，現(xiàn)場改進的機會不大，所以本文將從方法二開展電能質(zhì)量分析與研究，且著重在以下三方面：

3.1 無源濾波器

無源濾波由于對電壓具有較高的承受程度、較大的容量、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，對特征次諧波具有較為明顯的濾波效果，同時由于其在基波頻率下具有無功補償?shù)哪芰Γ虼丝梢宰鳛镾FC拖動電機運行時提高電能質(zhì)量的措施之一。從現(xiàn)場測試可以看出，SFC啟動過程穩(wěn)態(tài)條件下水泵水輪機電流約615A，相位滯后電壓約90°，補償電容的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 不同功率因數(shù)下的濾波器參數(shù)設(shè)計與抑制效果Table 1 Filter parameter design and suppression effect under different power factors

表1顯示，在電源側(cè)設(shè)置11、13次濾波裝置，既可以達到濾除諧波的效果，同時由于在基波條件下起到無功補償作用，在SFC啟動過程中防止電壓跌落的效果也非常明顯。但無源濾波器的缺陷在于它是針對最嚴重的幾次諧波分量而裝設(shè)的單調(diào)諧濾波器，對于特征不明顯的諧波含量濾波效果不是很明顯，并且補償特性易受運行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振而導(dǎo)致濾波器過載，因此在實際使用過程中也受到諧波條件的約束。

3.2 增設(shè)限流電抗器

抽水蓄能電站SFC啟動過程中，會受到場地、系統(tǒng)復(fù)雜性等多種因數(shù)影響，對系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)進行修改是抑制諧波的另一種有效方法。如圖4所示，四臺主變壓器低壓側(cè)均裝有限流電抗器，針對SFC和廠用高壓變壓器同時供電負荷的情況，可以在2、4號主變壓器低壓側(cè)再各增加一組限流電抗器用于單獨給廠用高壓變壓器供電，并為其連接所需的銅排和絕緣子及其支架[1-10]。根據(jù)GB/T 1094.6—2011《電抗器》標準，得到基準電流Id和基準電壓Ud的值；根據(jù)電站基本參數(shù)，得到電源至電抗器的總電抗x＇、短路電流限制值I″、額定電流IN和額定電壓UN。可以按下式計算對應(yīng)的電抗百分數(shù)：

按照GB/T 1094.6—2011《電力變壓器 第6部分：電抗器》標準，并考慮充足的斷路裕度，電抗百分數(shù)取4%，此時的電抗器電感值約為1.5mH。

對仿真系統(tǒng)做出修改后，觀察濾除諧波的效果，仿真運行圖如圖6所示。

圖6 注入系統(tǒng)的諧波含量Figure 6 Injected harmonic content of the system

由仿真結(jié)果可知，11、13次諧波含量降至0.2%，總諧波畸變率降至1%以下。增設(shè)限流電抗器可以有效濾除SFC啟動時所產(chǎn)生的諧波。

3.3 改變系統(tǒng)運行方式

通過改變SFC啟動時系統(tǒng)運行方式對改善電能質(zhì)量也能起到一定的作用。在SFC運行過程中，原先SFC和2號廠用高壓變壓器18kV側(cè)同時由4號主變壓器供電，SFC與廠用負載間的電氣距離僅有2號廠用高壓變壓器，電抗標幺值為1.7840?，F(xiàn)改為分別取自2號和4號主變壓器供電。SFC與廠用負載間的電氣距離變?yōu)?號廠用高壓變壓器、2號電抗器、4號電抗器、2號主變壓器和4號主變壓器，整體電抗標幺值為2.1278，有明顯的升高。

仿真結(jié)果如圖7所示，Ⅱ母電壓跌落由原來的3.98%降至0.1%。此時，總諧波畸變率降至1%以下。限制運行方式對改善電能質(zhì)量的效果十分明顯。

圖7 電壓降落對比圖Figure 7 Voltage drop comparison results

4 結(jié)論

本文針對抽水蓄能電站SFC啟動過程中的電能質(zhì)量問題建立了大型電站模型，并就此問題的抑制措施加以分析和研究。結(jié)果表明，在SFC側(cè)采用無源濾波對于特征量明顯的諧波具有良好的效果，但會帶來其他的運維問題；為廠用高壓變壓器單獨增設(shè)一組限流電抗器，能有效抑制SFC給廠用設(shè)備帶來的電能質(zhì)量問題；改變SFC啟動過程中系統(tǒng)運行方式同樣可以抑制啟動過程中帶來的電能質(zhì)量問題。