基于ETAP软件的燃机机组压母线的谐波分析与治理

魏锡年

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021）

0 引言

由于联合循环机组具有热效率高、污染少等优点，在国内外发电厂中联合循环电站占有一定比例。燃机机组启动时，通过一套启动装置拖动燃气轮机、发电机转子转动，完成燃机升速、吹扫、点火、加速等过程，这套启动装置通常被称作静态变频启动装置(static frequency converter，SFC)，这是一套变频驱动装置。在运行时会产生谐波电流，尤其是燃机机组黑启动时，黑启动柴油发电机组给中压母线供电，此时厂用电短路容量较小，谐波电流对其它负荷的影响更为明显，为了满足谐波电流不超过黑启动柴油发电机组的允许值，需要设置滤波装置。本文着重分析SFC运行时中压母线谐波电流大小以及如何加以治理。

1 工程概况

某国外联合循环燃机发电项目，建设两套F级联合循环机组，燃机发电机功率为450 MW，每台机组配置1套SFC，隔离变压器额定容量3 350 kVA，启动时，最大容量可以达到7 200 kVA，电源来自厂用电6.6 kV母线，配置黑启动柴油发电机组5台，总功率为8 000 kW，作为燃机机组黑启动电源，燃机机组电气主接线如图1所示(其它负荷从略)。

图1 燃机机组电气主接线

2 SFC谐波源分析

关于电力系统的谐波电压、谐波电流限值，在国家标准GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》[1]有明确规定，各标称电压的谐波电压限值见表1所列，注入连接点各次谐波电流限值见表2所列。

表1 各标称电压的谐波电压限值

表2 注入连接点各次谐波电流限值

当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2基准短路容量时，需要按照下式修正谐波电流允许值：

式中：Sk2为基准短路容量，见表2；Sk1为实际最小短路容量，MVA；Ihp为与基准短路容量对应的各次谐波电流限值，A；Ih为与实际最小短路容量对应的各次谐波电流限值，A。

燃机启动速度曲线如图2所示。燃机启动时SFC输出电流、视在功率、视在容量曲线如图3所示。SFC运行时各次谐波含量如图4所示。

图2 燃机启动速度曲线

图3 SFC输出电流、视在功率、视在容量曲线

图4 SFC运行时各次谐波含量

本工程配有黑启动柴油发电机组，容量为5×1 600 kW，当柴油发电机组给6.6 kV母线供电时，6.6 kV母线三相短路容量较小，约为75 MVA，各次谐波电流允许值也较小。以5次谐波为例，计算谐波电流允许值：

表3 各次谐波计算值

由黑启动柴油发电机组给6.6 kV供电时，SFC负荷电流：根据图4显示的谐波电流占比，计算实际的各次谐波电流。

I'5h=630×20%=126 A，其它各次谐波计算方法类似，计算结果参见表3所列。

3 建立谐波源模型

在电力系统中，电力电子装置是主要的谐波源，这些装置工作时，不仅消耗大量的无功功率，而且会给电力系统带来大量的谐波电流，不同类型的电力电子装置产生的各次谐波电流大小有差异、从2次谐波到高次谐波均有分布。本项目SFC使用了6脉冲变频器，根据设备厂家提供的数据，在ETAP建立谐波源模型，变频器谐波源波形、频谱图参如图5所示。

图5 变频器谐波源波形、频谱图

在ETAP软件中运行谐波分析模块，计算结果如图6所示 滤波装置投入前6.6 kV母线电压畸变率，从图中可以看出6.6 kV母线电压畸变率为25.84%，已经严重超标，必须治理。

图6 滤波装置投入前6.6 kV母线电压畸变率

4 谐波治理

电力系统中存在大量谐波电流可能导致诸多问题如：增加线路损耗、电缆过热、绝缘老化；电动机效率降低，产生更大的震动和噪音，缩短电动机寿命；增加电力仪表测量误差；零序谐波可导致中性线电流过大，造成中性线过热[2]。针对各种谐波，可以采用无源电力滤波器或有源电力滤波器，补偿高次谐波电流，达到治理的目的。

无源电力滤波器又称LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除了可以滤除谐波之外，还兼顾无功补偿的功能。根据电路的电感、电容元件的数量和接线型式不同，无源电力滤波器可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等。

如图7(a)所示，是单调谐滤波器的电路原理图，单调谐滤波器对n次谐波(ωn=nωs)的阻抗：

图7 单调谐滤波器

式中：Zfn表示n次单调谐滤波器阻抗，Ω；ωs为基波角频率，rad/s。

画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图7(b)所示。

单调谐滤波器是利用串联LC谐振原理构成的，其谐振次数：

在谐振点处，Zfn=R，由于R很小，n次谐波电流主要由滤波回路分流，很少流入供电网络中，而对其它次数的谐波电流，Zfn＞＞R，滤波回路分流很少。因此，只要通过合理选择滤波电容器电容值C、滤波电抗器电感L，使其谐振次数n与需要滤除的谐波次数保持一致，则该次谐波电流将大部分流入滤波器，则消除了大部分该次谐波电流。

滤波电容器、滤波电抗器的参数偏差或变化，会导致单调谐滤波器的谐振频率发生变化，导致滤波器失真；电源阻抗变化也会对单调谐滤波器的滤波效果产生较大影响，甚至会导致电源阻抗与单调谐滤波装置发生并联谐振，这是单调谐滤波器的不足。

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的电力电子装置，由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的电源电流几乎为纯正弦波[3]。有源电力滤波器明显的缺点是价格较贵，并且目前仅有低压有源电力滤波器，对于中压系统，则需要增加变压器，采用低压高挂的方式接入6.6 kV母线，滤波效果不是很理想。

GB/T 31038—2014《高电压柴油发电机组通用技术条件》[4]中规定，6.6 kV柴油发电机组输出的线电压畸变率不应大于5%，而黑启动柴油发电机组供货商提出的要求较为宽松，要求6.6 kV母线的电压总谐波畸变率不能超过8%。有源电力滤波器造价较高，从节省投资的角度出发，本项目配置无源电力滤波器作为治理谐波的设备较为合理。

在ETAP软件中建立模型，并设置了5次、7次、11次和13次单调谐滤波器，详细参数见表4所列。运行ETAP谐波分析程序，计算结果见表5所列和如图8所示。对比单调谐滤波投入前后数据，可以看出，单调谐滤波器投入后，各次谐波量均有大幅度降低，母线电压畸变率降为5.94%，可以说谐波电流得到了大幅度抑制，单调谐滤波器的抑制谐波效果非常明显。

表4 单调谐滤波器参数表

表5 单调谐滤波器投入后计算结果

图8 滤波装置投入后6.6 kV母线电压畸变率

在ETAP软件中截取的6.6 kV母线阻抗频率特性如图9所示。从图中可以看出，对于5次、7次、11次和13次谐波，母线阻抗没有到零，表示对于这些次谐波，并不会发生并联谐振。这也是配置单调谐滤波器时需要注意的问题。

图9 滤波装置投入后6.6 kV母线阻抗频率特性图

每个单调谐滤波器每相由滤波电容器与滤波电抗器串联，三个单相接成Y型组成三相电路，中性点绝缘，含开口电压检测，电流检测保护继电器。电容器组并接放电线圈，各滤波回路接入避雷器。设置有滤波器自动控制系统，可根据系统无功需求自动投入退出单调谐滤波器组。

与5次、7次、11次和13次谐波单调谐滤波器对应，设置4面6.6 kV滤波器投切柜，每面开关柜内安装一台C2级真空断路器，满足容性电流的开合与分段要求。电容器、电抗器框架式安装，布置在单独的房间内。

5 结语

燃机机组黑启动工况，黑启动柴油发电机组给6.6 kV母线供电，6.6 kV母线三相短路容量较小，SFC作为谐波源，其运行时会造成燃机机组6.6 kV母线电压总畸变率严重超标，在6.6 kV母线上安装多组单调谐滤波器可以大幅度补偿谐波电流，起到治理谐波的目的，同时可以补偿无功功率，提高功率因数。

单调谐滤波器结构简单、造价低廉，本工程安装了4组单调谐滤波器后，母线电压总畸变率满足黑启动柴油发电机运行要求，并且每次SFC运行时间约240 s，时间很短，所以本工程采用单调谐滤波器作为谐波治理装置是非常适用的。