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摘要：本文介绍了静止变频器装置产生谐波的原因及影响。对惠州蓄能水电厂静止变频器起动过程中产生的谐波进行了分析，并提出了抑制谐波的措施和意见。
关键词：蓄能水电厂；静止变频器（SFC）；谐波
随着国民经济的发展以及经济结构的调整，电网用电结构也不断发生变化，生活用电和第三产业用电增长迅速，电网负荷率明显下降，峰谷差不断加大，同时用户对电力供应的安全和质量要求也越来越高。蓄能水电厂（PSPS）作为一种特殊的电源，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等[1]多种功能，在电网安全、经济运行方面发挥了重要的作用。但是由于抽水蓄能机组采用了静止变频装置（static frequency converter，SFC）起动，SFC工作时在电网中产生的谐波对电网将会造成污染，目前国内对SFC的谐波影响和解决对策还缺乏深入研究。本文在分析了谐波产生原因的基础上，对惠州蓄能水电厂SFC产生的谐波进行了分析并提出了抑制谐波的建议。
1 蓄能水电厂SFC系统介绍
蓄能水电厂的泵工况有五种起动方式：（1）异步起动方式；（2）同步起动方式；（3）半同步起动方式；（4）同轴小电机起动方式；（5）SFC起动方式。SFC具有起动容量大、起动速度快、工作可靠性高、维护工作量小、对系统影响少等优越性[2]。因此，蓄能水电厂大多都采取这种方式为主要泵工况起动方式。静止变频器的起动原理接线如图1。电机变频起动时，转子绕组通入励磁电流，定子由SFC供电，由定子电压频率控制转子转速。SFC输出的频率在起动开始时调得很低，然后逐步上升至额定值，利用同步转矩的作用，使电机的转速随变频器输出频率同步地升至额定值。
2谐波分析
在SFC起动过程中产生的谐波会对电网造成污染，如何采取措施，有效的抑制谐波对电气设备的影响意义重大。
2.1谐波的产生
SFC的核心部分由相控变流整流器和逆变器组成的一个晶闸管无换向电机调速系统，通过对具有非线性特性的半导体功率器件的开关控制，实现功率或频率的控制。SFC装置运行时，从电网吸取基波电流的同时，还从电网中吸收谐波电流。SFC产生的谐波电流将在发电电动机电压侧和输电电压侧产生电压谐波，影响厂用电系统和系统其他用户设备的正常运行。
2.2谐波的危害
系统中的谐波分量可能会引起局部并联或串联谐振，放大了谐波分量，增大附加线路损耗和发热量，同时产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率。有时，谐波会在系统中放大几倍甚至数十倍，对无功补偿电容器等造成威胁，甚至引发严重事故。电力系统的谐波会改变保护装置的性能，引起保护装置的误动或者拒动，造成事故，同时谐波也会引起自身或者其他自动控制系统的误动作。
谐波对会电气设备、通信系统、仪表系统和自动控制设备造成广泛而严重的危害，所以国际上把高次谐波视为电力公害或污染。因此，如何尽量较少SFC的谐波危害就显得极为迫切。
3惠州蓄能水电厂谐波分析
3.1 惠州蓄能水电厂A厂的接线系统简介
惠州蓄能水电厂（以下简称惠蓄电厂）是我国第一个一次性建成的全国最大的抽水蓄能电厂，总装机容量8×300 MW。惠蓄电厂的静止变频器采用六相12脉波整流装置，通过两组三相桥式全控整流电路串连实现，系统结构如图3所示。为得到两组三相输入电源，SFC输入单元采用一台Y/Y/△接线的三相三绕组变压器，两组全控整流桥输出电压相角相差30°，串联后得到特征谐波为12k±1次的直流电压，最低次谐波电流为11次[3]。
3.2 惠蓄电厂A厂的谐波测量
各级电网的电压总谐波畸变率限制值是限制电力系统谐波、保证电能质量的重要技术指标。设备卖方应采取适当的措施，限制SFC运行时向500kV系统及电站18kV发电机电压系统、10kV和0.4kV厂用电系统馈送的谐波电流，并限制电压正弦波畸变率，SFC运行时产生的谐波电压和电流应不影响发电机保护、励磁、调速器、自动准同期装置、中性点设备及其他设备的正常运行。惠蓄的主机合同对谐波要求：18kV电压正弦波行畸变率允许值：电压正弦波形畸变率<4%，奇次谐波电压含量<3.2%，偶次谐波电压含量<1.6%，未对10kV、0.4kV系统谐波含量提出明确要求[4]。
变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备会产生谐波干扰。当控制电路根据需要给出相应的频率和幅值的开关脉冲时，其输出的电压和电流波形中带有与开关频率相应的高次谐波群。变频调速电路除了通过辐射向外部发射产生干扰外，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入电源电路形成传导形干扰。惠蓄电厂机组泵工况起动即SFC运行时，产生的谐波干扰比较严重（参见图4），其中在厂用电18kV PT二次侧，10kV PT二次侧，11次和13次谐波含量最高，分别达到4%和5%以上，电压总得谐波含量甚至到达6.9%和7.7%。与此同时，厂用电400V侧电压的谐波总含量已达9.3%，使电压波形发生比较严重的畸变（参见图5），同时机组励磁系统电源的电源受谐波干扰波形见图6，有时甚至会影响机组辅助系统400V电源继电器跳闸，导致机组起动失败。由于机组辅助系统400V电源继电器受谐波影响频繁动作，仅在2009年3月至6月间，就多次出现SFC拖动机组泵工况启动失败情况。
3.3 惠蓄电厂抑制谐波的措施及效果
1.尽量使SFC和厂用电18kV电源取自不同变压器。此措施的优点是不需对现有设备做任何改造，但限制了设备的运行方式。在一台厂高变故障或检修时，由谐波引起的故障仍可能发生。
2.选用抗谐波特性好的电压继电器。
鉴于SFC启动过程中与SFC进线相连的厂用电400V母线低压报警，相应电压继电器频繁动作，通过对抗谐波干扰继电器的调研及现场试验比较，已将400V电压继电器更换为抗谐波的高性能继电器。分批更换继电器后，机组泵工况的SFC启动成功率得到明显改善，未再出现因电压继电器频繁动作而导致的SFC启动失败情况发生。
4谐波的抑制措施及建议
1）惠蓄电厂A厂出现的由于SFC启动时谐波含量高导致机组泵工况启动失败的问题，还可以通过在SFC进线侧加装隔离变等一次设备。因目前SFC一次侧设备均已成型，加装隔离变等一次设备的可能性较小。因此，更改厂用电供电方式是一个简单有效的抑制谐波干扰的办法。但是这种方法会降低厂用电的供电可靠率，加快设备疲倦。因此，如何能够有效抑制谐波的影响值得深入研究。
2）在经济条件允许及技术成熟的情况下，采用更高次脉波整流装置，也是一个减小SFC产生谐波的办法。
3）增大SFC输入变压器漏抗有利于改善电网谐波，可以在输入测串联换相电抗器来增大电感值，抑制谐波[5]。
5 结语
通过对SFC产生谐波的原理及惠州蓄能水电厂A厂SFC实际谐波分析，说明谐波对系统的影响，并提出抑制谐波的办法，在今后的实践中，将继续探索抑制谐波的有效方法。
参考文献：
[1] 曹明良. 抽水蓄能电站在我国电力工业发展中的重要作用[J]. 水电能源科学， 2009， 27（2）：212214.
[2] 宿清华，吴国忠，杨承林，等. 抽水蓄能电站变频起动装置的谐波抑制探讨[J]. 浙江大学学报（工学版）， 2002， 36（6）： 707-712.
[3] 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[4] 姬长青，赵磊.惠州抽水蓄能电站谐波问题研究[J].水力发电， 2010， 36（9）： 61-63.
[5] 何峰宇，杨建军，陈敏，等. 抽水蓄能电站SFC输入变压器漏抗对谐波影响分析[J].机电工程， 25（8）：47-49.
作者简介：
董 征（1980），女，河北邢台人，工程师，工学硕士，从事电厂检修计划工作。
关键词：蓄能水电厂；静止变频器（SFC）；谐波
随着国民经济的发展以及经济结构的调整，电网用电结构也不断发生变化，生活用电和第三产业用电增长迅速，电网负荷率明显下降，峰谷差不断加大，同时用户对电力供应的安全和质量要求也越来越高。蓄能水电厂（PSPS）作为一种特殊的电源，具有调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等[1]多种功能，在电网安全、经济运行方面发挥了重要的作用。但是由于抽水蓄能机组采用了静止变频装置（static frequency converter，SFC）起动，SFC工作时在电网中产生的谐波对电网将会造成污染，目前国内对SFC的谐波影响和解决对策还缺乏深入研究。本文在分析了谐波产生原因的基础上，对惠州蓄能水电厂SFC产生的谐波进行了分析并提出了抑制谐波的建议。
1 蓄能水电厂SFC系统介绍
蓄能水电厂的泵工况有五种起动方式：（1）异步起动方式；（2）同步起动方式；（3）半同步起动方式；（4）同轴小电机起动方式；（5）SFC起动方式。SFC具有起动容量大、起动速度快、工作可靠性高、维护工作量小、对系统影响少等优越性[2]。因此，蓄能水电厂大多都采取这种方式为主要泵工况起动方式。静止变频器的起动原理接线如图1。电机变频起动时，转子绕组通入励磁电流，定子由SFC供电，由定子电压频率控制转子转速。SFC输出的频率在起动开始时调得很低，然后逐步上升至额定值，利用同步转矩的作用，使电机的转速随变频器输出频率同步地升至额定值。
2谐波分析
在SFC起动过程中产生的谐波会对电网造成污染，如何采取措施，有效的抑制谐波对电气设备的影响意义重大。
2.1谐波的产生
SFC的核心部分由相控变流整流器和逆变器组成的一个晶闸管无换向电机调速系统，通过对具有非线性特性的半导体功率器件的开关控制，实现功率或频率的控制。SFC装置运行时，从电网吸取基波电流的同时，还从电网中吸收谐波电流。SFC产生的谐波电流将在发电电动机电压侧和输电电压侧产生电压谐波，影响厂用电系统和系统其他用户设备的正常运行。
2.2谐波的危害
系统中的谐波分量可能会引起局部并联或串联谐振，放大了谐波分量，增大附加线路损耗和发热量，同时产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率。有时，谐波会在系统中放大几倍甚至数十倍，对无功补偿电容器等造成威胁，甚至引发严重事故。电力系统的谐波会改变保护装置的性能，引起保护装置的误动或者拒动，造成事故，同时谐波也会引起自身或者其他自动控制系统的误动作。
谐波对会电气设备、通信系统、仪表系统和自动控制设备造成广泛而严重的危害，所以国际上把高次谐波视为电力公害或污染。因此，如何尽量较少SFC的谐波危害就显得极为迫切。
3惠州蓄能水电厂谐波分析
3.1 惠州蓄能水电厂A厂的接线系统简介
惠州蓄能水电厂（以下简称惠蓄电厂）是我国第一个一次性建成的全国最大的抽水蓄能电厂，总装机容量8×300 MW。惠蓄电厂的静止变频器采用六相12脉波整流装置，通过两组三相桥式全控整流电路串连实现，系统结构如图3所示。为得到两组三相输入电源，SFC输入单元采用一台Y/Y/△接线的三相三绕组变压器，两组全控整流桥输出电压相角相差30°，串联后得到特征谐波为12k±1次的直流电压，最低次谐波电流为11次[3]。
3.2 惠蓄电厂A厂的谐波测量
各级电网的电压总谐波畸变率限制值是限制电力系统谐波、保证电能质量的重要技术指标。设备卖方应采取适当的措施，限制SFC运行时向500kV系统及电站18kV发电机电压系统、10kV和0.4kV厂用电系统馈送的谐波电流，并限制电压正弦波畸变率，SFC运行时产生的谐波电压和电流应不影响发电机保护、励磁、调速器、自动准同期装置、中性点设备及其他设备的正常运行。惠蓄的主机合同对谐波要求：18kV电压正弦波行畸变率允许值：电压正弦波形畸变率<4%，奇次谐波电压含量<3.2%，偶次谐波电压含量<1.6%，未对10kV、0.4kV系统谐波含量提出明确要求[4]。
变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波对接入同一电网的其它电子、电气设备会产生谐波干扰。当控制电路根据需要给出相应的频率和幅值的开关脉冲时，其输出的电压和电流波形中带有与开关频率相应的高次谐波群。变频调速电路除了通过辐射向外部发射产生干扰外，还可以通过阻抗耦合或接地回路耦合将干扰带入电源电路形成传导形干扰。惠蓄电厂机组泵工况起动即SFC运行时，产生的谐波干扰比较严重（参见图4），其中在厂用电18kV PT二次侧，10kV PT二次侧，11次和13次谐波含量最高，分别达到4%和5%以上，电压总得谐波含量甚至到达6.9%和7.7%。与此同时，厂用电400V侧电压的谐波总含量已达9.3%，使电压波形发生比较严重的畸变（参见图5），同时机组励磁系统电源的电源受谐波干扰波形见图6，有时甚至会影响机组辅助系统400V电源继电器跳闸，导致机组起动失败。由于机组辅助系统400V电源继电器受谐波影响频繁动作，仅在2009年3月至6月间，就多次出现SFC拖动机组泵工况启动失败情况。
3.3 惠蓄电厂抑制谐波的措施及效果
1.尽量使SFC和厂用电18kV电源取自不同变压器。此措施的优点是不需对现有设备做任何改造，但限制了设备的运行方式。在一台厂高变故障或检修时，由谐波引起的故障仍可能发生。
2.选用抗谐波特性好的电压继电器。
鉴于SFC启动过程中与SFC进线相连的厂用电400V母线低压报警，相应电压继电器频繁动作，通过对抗谐波干扰继电器的调研及现场试验比较，已将400V电压继电器更换为抗谐波的高性能继电器。分批更换继电器后，机组泵工况的SFC启动成功率得到明显改善，未再出现因电压继电器频繁动作而导致的SFC启动失败情况发生。
4谐波的抑制措施及建议
1）惠蓄电厂A厂出现的由于SFC启动时谐波含量高导致机组泵工况启动失败的问题，还可以通过在SFC进线侧加装隔离变等一次设备。因目前SFC一次侧设备均已成型，加装隔离变等一次设备的可能性较小。因此，更改厂用电供电方式是一个简单有效的抑制谐波干扰的办法。但是这种方法会降低厂用电的供电可靠率，加快设备疲倦。因此，如何能够有效抑制谐波的影响值得深入研究。
2）在经济条件允许及技术成熟的情况下，采用更高次脉波整流装置，也是一个减小SFC产生谐波的办法。
3）增大SFC输入变压器漏抗有利于改善电网谐波，可以在输入测串联换相电抗器来增大电感值，抑制谐波[5]。
5 结语
通过对SFC产生谐波的原理及惠州蓄能水电厂A厂SFC实际谐波分析，说明谐波对系统的影响，并提出抑制谐波的办法，在今后的实践中，将继续探索抑制谐波的有效方法。
参考文献：
[1] 曹明良. 抽水蓄能电站在我国电力工业发展中的重要作用[J]. 水电能源科学， 2009， 27（2）：212214.
[2] 宿清华，吴国忠，杨承林，等. 抽水蓄能电站变频起动装置的谐波抑制探讨[J]. 浙江大学学报（工学版）， 2002， 36（6）： 707-712.
[3] 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[4] 姬长青，赵磊.惠州抽水蓄能电站谐波问题研究[J].水力发电， 2010， 36（9）： 61-63.
[5] 何峰宇，杨建军，陈敏，等. 抽水蓄能电站SFC输入变压器漏抗对谐波影响分析[J].机电工程， 25（8）：47-49.
作者简介：
董 征（1980），女，河北邢台人，工程师，工学硕士，从事电厂检修计划工作。