聶 巖

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

變頻器的應(yīng)用可以提高火電廠電動機(jī)控制的靈活性和熱力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的諧波會嚴(yán)重影響廠用電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，引起有功元件過熱、絕緣擊穿、電子元件故障、繼電保護(hù)誤動作等問題。目前電廠常用的諧波治理手段，如有源濾波、混合型濾波，雖然能夠有效濾除諧波，但運(yùn)行效果一般，經(jīng)濟(jì)性較差。本文結(jié)合具體工程項(xiàng)目，利用電廠內(nèi)電氣系統(tǒng)相對獨(dú)立、諧波對公共電網(wǎng)質(zhì)量影響不大的特點(diǎn)，基于文獻(xiàn)[1]適當(dāng)放寬了對低壓廠用電系統(tǒng)諧波限值要求，通過綜合性的諧波抑制手段，有效控制了母線諧波水平，同時省去了價(jià)格較高的有源濾波裝置。

1 廠用電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生和危害

火電廠廠用電系統(tǒng)諧波源主要來自低壓變頻器。低壓變頻器普遍采用三相六脈沖整流橋，該整流橋在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的5、7、11、13等6n±1（n=1，2，3，…）次奇次諧波，導(dǎo)致電流波形畸變嚴(yán)重。同時，諧波電流會在工作變壓器低壓側(cè)產(chǎn)生諧波畸變電壓，進(jìn)而對電氣系統(tǒng)產(chǎn)生如下危害：諧波磁通、渦流加熱引起變壓器、電纜等元件降容；電氣元件絕緣損傷；諧波放大引起電容器組故障；熔斷器非短路過載故障熔斷；繼電保護(hù)誤動作；儀表信號電磁干擾；旋轉(zhuǎn)設(shè)備諧波轉(zhuǎn)矩可能引發(fā)諧振。

2 源端諧波抑制措施

變頻器產(chǎn)生的諧波通過相連的電路同時向源端和輸出端發(fā)射。變頻器輸出端的諧波危害可以通過輸出端加裝諧波裝置、提高電動機(jī)和電纜絕緣性能、優(yōu)化電動機(jī)冷卻系統(tǒng)等措施來控制，而且輸出端諧波的危害范圍有限，因此本文重點(diǎn)討論主要的源端諧波優(yōu)化措施。

2.1 相位倍增

三相變壓器成對采用Δ-Y和Y-Y型接線，產(chǎn)生30°相位角，形成相位倍增，消除變壓器高壓側(cè)5、7、17……等奇次諧波，使6脈沖變頻器的諧波波形合成類似12脈沖的效果，大幅降低中壓母線上的低次奇次諧波。

2.2 輸入電抗器

文獻(xiàn)[2]顯示，一臺6脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波電流畸變率約為22%，增加了電源電抗器后，總諧波電流畸變率降為15%。根據(jù)文獻(xiàn)[3]規(guī)定，通過在變頻器的電源端增加限流電抗器，可大幅降低變頻器的電流畸變率。

2.3 有源濾波器和混合型濾波器

有源濾波器是較有效的諧波抑制和消除手段，裝置通過向系統(tǒng)注入反極性的諧波電流，中和非線性負(fù)載引起的畸變，從而達(dá)到消除諧波的目的。目前國內(nèi)空冷機(jī)組諧波抑制普遍采用有源濾波方式。有源濾波裝置成本較高，國內(nèi)有源濾波裝置成本大約在300～1 500元∕A。例如，對于諧波電流比較集中的空冷機(jī)組空冷PC（Power Center，簡稱PC）段母線采用有源濾波進(jìn)行單段母線的諧波抑制，費(fèi)用高達(dá)近百萬元，初始投資高，且前期難以準(zhǔn)確估算諧波含量，給工程前期設(shè)計(jì)和投資評價(jià)帶來較大困難?；旌闲蜑V波器結(jié)合了有源濾波器和無源濾波器，可適當(dāng)降低單位電流濾波成本，但是整體復(fù)雜度和成本仍然偏高。

3 火電廠廠用電系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 廠用電系統(tǒng)優(yōu)化目的

針對廠用電系統(tǒng)的諧波優(yōu)化主要有兩個目的：一是限制穿過工作變壓器和主母線的諧波電流不超過限值，避免諧波電流畸變分量引起額外的絕緣過熱，損傷變壓器和母線，最有效的限制措施是提高設(shè)備的額定容量；二是限制母線電壓變化率和總諧波電壓畸變率不超過限值，減少諧波電壓對絕緣和電子元件的危害，降低控制和保護(hù)設(shè)備誤動作的概率。由于廠用電系統(tǒng)的諧波電壓畸變主要由諧波電流和電源回路阻抗產(chǎn)生，因此設(shè)計(jì)時需盡可能降低系統(tǒng)阻抗，即廠用電支路上工作變壓器和串聯(lián)電抗器的阻抗。

3.2 廠用電系統(tǒng)的特點(diǎn)和諧波限值

火電廠的低壓變頻器主要用在空冷電動機(jī)和工況變化較大的水泵電動機(jī)驅(qū)動上，其中最為典型的是空冷系統(tǒng)，其配置的低壓變頻器數(shù)量多、功率大，極易引發(fā)諧波危害。根據(jù)DL∕T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，為了降低變頻裝置對其他系統(tǒng)的影響，空冷系統(tǒng)一般由專用的低壓廠用變壓器和廠用母線集中供電。

針對廠用電系統(tǒng)諧波限值水平，GB∕T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》和DL∕T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，10 kV系統(tǒng)的諧波電壓畸變率限值為4%，380 V系統(tǒng)的諧波電壓畸變率限值為5%。其中DL∕T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，考慮到發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的非商用系統(tǒng)特性，對諧波限值不宜規(guī)定太嚴(yán)，該規(guī)程雖然對諧波電壓畸變率限值給出的推薦值與GB∕T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》一致，但不作為強(qiáng)制性規(guī)定。DL∕T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》沒有給出具體的放寬措施，導(dǎo)致多數(shù)項(xiàng)目仍按規(guī)程要求限值執(zhí)行。

實(shí)踐證明，由于規(guī)程規(guī)定限值要求過高，項(xiàng)目建設(shè)期在諧波抑制上的投資高，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不明顯[4-5]。例如，某大型火電廠兩臺660 MW空冷機(jī)組，對其中1臺機(jī)組進(jìn)行諧波抑制改造，加裝有源濾波裝置，改造時僅設(shè)備費(fèi)用就約為500萬元。改造后，經(jīng)測試母線諧波水平大大降低，但經(jīng)數(shù)年運(yùn)行實(shí)踐，與未改造的機(jī)組相比，兩臺機(jī)組的空冷系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行故障率相差不大，而有源濾波裝置卻增加了電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量，改造的經(jīng)濟(jì)性不高[6-7]。因此，適當(dāng)放寬電廠廠用電系統(tǒng)諧波限值，有利于降低企業(yè)的基建和運(yùn)行成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。國際標(biāo)準(zhǔn)對工業(yè)企業(yè)內(nèi)部各次諧波給出了更寬的諧波電壓畸變率限值要求，如表1所示，表中n為諧波次數(shù)?？傊C波電壓畸變率要求不超過10%。結(jié)合電廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該限值更具有可操作性。

表1 適用于工業(yè)環(huán)境內(nèi)部連接點(diǎn)諧波電壓畸變率限值

4 案例分析

空冷段廠用電系統(tǒng)接線如圖1所示，其中空冷變壓器容量為2 000 kVA，初始設(shè)計(jì)阻抗電壓百分比為10%，接線組別分別為Dyn11和Yyn0的兩臺空冷變壓器成對接在10 kV工作段母線上。每段空冷PC段母線帶11臺132 kW的空冷電動機(jī)，電動機(jī)采用變頻調(diào)速驅(qū)動方式，變頻器為6脈沖低壓變頻器。

圖1 空冷段廠用電系統(tǒng)接線圖

該初步設(shè)計(jì)方案采用了常規(guī)的諧波抑制措施，通過成對的相移30°三相變壓器連接到10 kV母線上，減少源端10 kV母線的低次諧波含量；選擇帶有輸入和輸出電抗器的變頻器，減少變頻器諧波的輸出，單臺變頻器提供的總諧波電壓畸變率為2.2%；設(shè)置集中的低壓變頻器母線段，由專用變壓器供電，空冷變壓器選型容量超過了電動機(jī)總?cè)萘康?.25倍，而電動機(jī)實(shí)際滿載運(yùn)行容量約為額定容量的90%。

4.1 優(yōu)化前諧波仿真結(jié)果

采用ETAP軟件對廠用電系統(tǒng)諧波進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2—4所示。10 kV母線總諧波電壓畸變率為1.21%，380 V母線總諧波電壓畸變率為21.4%?？绽渥儔浩鞯蛪簜?cè)總諧波電流畸變率為28.47%，總電流為2 651 A。

表2 10 kV母線諧波電壓畸變率

表3 380 V母線諧波電壓畸變率

表4 空冷變壓器諧波電流畸變率

由計(jì)算結(jié)果可知，10 kV母線段由于短路容量較大，且變壓器采用了相位倍增的接線方式，總諧波電壓畸變率較低，僅為1.21%，滿足GB∕T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對母線諧波電壓畸變率的要求?？绽渥儔浩鞯蛪簜?cè)總諧波電流畸變率為28.47%，但總電流為2 651 A，小于空冷變壓器額定電流。空冷段380 V母線電壓畸變嚴(yán)重，畸變率達(dá)到了21.4%，需要采取限制措施。

4.2 優(yōu)化后諧波仿真結(jié)果

空冷段上全部為變頻設(shè)備，當(dāng)母線發(fā)生短路時，沒有電動機(jī)反饋電流，因此可根據(jù)短路計(jì)算結(jié)果選擇阻抗較小的空冷變壓器。通過短路計(jì)算，空冷變壓器可選取的最小阻抗電壓百分比為5%，調(diào)整阻抗后，系統(tǒng)諧波計(jì)算的結(jié)果如表5—7所示。10 kV母線總諧波電壓畸變率為1.26%，380 V母線總諧波電壓畸變率為10%?？绽渥儔浩鞯蛪簜?cè)總諧波電流畸變率為30.26%，總電流為2 504 A。

表5 10 kV母線諧波電壓畸變率

表6 380 V母線諧波電壓畸變率

表7 空冷變壓器諧波電流畸變率

由計(jì)算結(jié)果可知，空冷段母線諧波電流占比略有提高，但總電流降低，諧波電壓畸變率降到了10%。目前火電廠廠用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有明確規(guī)定母線總諧波電壓畸變率，而GB∕T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》提出的公用電網(wǎng)諧波限制過于嚴(yán)格，難以在電廠應(yīng)用。本文采納了文獻(xiàn)[1]推薦的第3類諧波電壓限值，經(jīng)優(yōu)化后的諧波電壓畸變率能夠滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)語

本文通過諧波分析和短路計(jì)算，優(yōu)化了火電廠廠用變壓器的容量和阻抗，在系統(tǒng)層面最大限度降低了諧波對電氣設(shè)備的危害。同時采納文獻(xiàn)[1]對工業(yè)環(huán)境內(nèi)部連接點(diǎn)諧波水平的要求，為設(shè)計(jì)階段廠用電系統(tǒng)諧波限制水平提供了設(shè)計(jì)和優(yōu)化的依據(jù)，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。