SFC濾波器諧振分析和處理

摘 要:目的:通過分析和處理深圳東部電廠SFC無源濾波器諧振問題，指出濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)必須避免諧振和保證濾波效果。方法:比較分析計(jì)算兩個(gè)LNG電廠的SFC濾波器和系統(tǒng)的諧振頻率及其運(yùn)行波形。結(jié)果:深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率非常接近濾波頻率，容易發(fā)生諧振，經(jīng)改造后正常投入運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:諧波SFC諧振

中圖分類號(hào):TN77文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(a)-0079-03

Abstract Objective: Expatiating and deal the resonance of the SFC filter in Shenzhen Dongbu Power Plant. Method: Compare、analyze and calculate the resonance frequency and the wave inrunning. Result: It is easy to produce resonance because that the resonance frequency between the SFC filter and the power system in the Shenzhen Dongbu Power Plant is near to the resonance frequency of the SFC filter.

Key words: harmonic，SFC，resonance

引言

在廣東省“十一五”期間，三個(gè)天然氣發(fā)電廠分別引進(jìn)了3套日本三菱重工/東方集團(tuán)制造的M701F型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，其啟動(dòng)過程均是通過SFC拖動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)(發(fā)電機(jī))啟動(dòng)。SFC設(shè)計(jì)有5、7次無源諧波濾波器，其中兩個(gè)廠的濾波器均能正常投入運(yùn)行，而另一個(gè)廠的濾波器則由于諧振一直不能投入運(yùn)行。

1 SFC的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理

SFC系統(tǒng)由諧波濾波器、變壓器、6脈整流器、平波電抗器、逆變器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、控制系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)子電流控制組成。SFC工作原理:將發(fā)電機(jī)作為同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，整流器將三相交流電壓變成電壓幅值可變的直流電，逆變器按照特定的觸發(fā)順序向發(fā)電機(jī)輸入頻率可調(diào)的交流電，拖動(dòng)整套軸系由盤車轉(zhuǎn)速3r/min起升速，達(dá)到轉(zhuǎn)速500r/min燃機(jī)點(diǎn)火，機(jī)組在燃機(jī)產(chǎn)生的熱能和SFC的共同拖動(dòng)下做功，轉(zhuǎn)速不斷上升，當(dāng)達(dá)到2000r/min時(shí)，SFC斷電退出，發(fā)電機(jī)退出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，燃機(jī)再繼續(xù)升速直至達(dá)到3000r/min，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。在SFC運(yùn)行期間，產(chǎn)生大量的5、7次諧波，因此需要設(shè)計(jì)濾波器濾除這些諧波，設(shè)計(jì)5、7次無源諧波濾波器接在SFC變壓器的6kV側(cè)。

2 天然氣電廠發(fā)電機(jī)SFC的主接線圖

深圳東部天然氣電廠的發(fā)電機(jī)SFC主接線圖見圖1，其它兩個(gè)天然氣電廠(深圳前灣電廠、惠州LNG電廠)和東部電廠的基本一致，唯一區(qū)別是高壓廠用變壓器的參數(shù)不一樣，深圳東部高壓廠用變壓器:容量:20MVA，短路阻抗:8.14%，變比:20kV/6.3kV，組別:Dd0;惠州LNG電廠和深圳前灣電廠的高壓廠用變壓器:容量:16MVA;短路阻抗:8%;變比:20kV/6.3kV;組別:Dy1。變壓器容量、組別、短路阻抗的差別會(huì)導(dǎo)致其每相阻抗的差別。三個(gè)廠的SFC無源濾波器的5、7次濾波器的電容電感參數(shù)、廠家均一樣，參數(shù)為:5次濾波器:串聯(lián)電感:3.99mH每相;電容:104.6μF每相，額定電壓4.16kV，容量1800kvar;7次濾波器:串聯(lián)電感:2.99mH每相;電容:69.9μF每相，額定電壓4.16kV，容量1200kvar。

3投入和不投入SFC濾波器的6kV電壓波形

(1)深圳東部電廠SFC啟動(dòng)時(shí)的6kV廠用電母線電壓波形(SFC濾波器由于諧振而不能投入運(yùn)行)和諧波含量見圖2，其6kV母線電壓的總諧波畸變率大于4%、偶次諧波畸變率大于2%、奇次諧波畸變率大于3%，均超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》總諧波畸變率不大于4%、偶次畸變率不大于1.6%、奇次不大于3.2%的要求。

(2)惠州LNG電廠SFC啟動(dòng)時(shí)的6kV廠用電母線電壓波形(SFC濾波器一直投入運(yùn)行)和諧波含量見圖3，其6kV母線電壓的總諧波畸變率、偶次諧波畸變率、奇次諧波畸變率均小于1%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》的要求。

深圳東部電廠的SFC 5、7次無源濾波器在試運(yùn)期間曾嘗試投入運(yùn)行，但是當(dāng)SFC把發(fā)電機(jī)拖到300r/min左右，5、7次無源濾波器均因?yàn)檫^流保護(hù)動(dòng)作跳閘，聯(lián)跳SFC，期間5、7次無源濾波器柜內(nèi)有很大的振動(dòng)和噪聲，當(dāng)時(shí)用電量分析儀分別錄取了5、7次無源濾波器輸入電流波形，5次、7次諧波電流含量均大于100%，為電流放大諧振(并聯(lián)諧振)。

4 SFC濾波器和系統(tǒng)諧振頻率計(jì)算[1]

SFC拖動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)是處于斷開狀態(tài)，SFC濾波器和高壓廠用變壓器、主變壓器、電網(wǎng)系統(tǒng)組成并聯(lián)電路，因?yàn)橹髯儔浩?、電網(wǎng)系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于高壓廠用變壓器的容量，其短路阻抗遠(yuǎn)小于高壓廠用變壓器的短路阻抗，所以可以把SFC濾波器和高壓廠用變壓器組成并聯(lián)電路進(jìn)行SFC濾波器和系統(tǒng)諧振頻率計(jì)算，其計(jì)算原理圖和諧振頻率計(jì)算公式如圖4、圖5。其中Ls是高壓廠用變壓器的每相電感，rs是高壓廠用變壓器每相電阻，由于高壓廠用變壓器的每相電阻值遠(yuǎn)小于其每相的電抗值，因此可以忽略，L、C是各次濾波器的每相電感和電容。諧振頻率計(jì)算公式為:

深圳東部電廠高壓廠用變壓器電感計(jì)算:U×U×Ud/SN/314×1000=6.3×6.3×0.0814/20/314×1000=0.514mH(其中U是高壓廠用變壓器的高壓側(cè)額定電壓，Ud是其短路阻抗，SN是其額定容量)，由于深圳東部電廠的高壓廠用變壓器低壓側(cè)是三角形接法，濾波器是星型接法，因此高壓廠用變壓器低壓側(cè)三角形轉(zhuǎn)換到星型接法的每相電感為0.514/3=0.171 mH。同樣可以計(jì)算得惠州LNG電廠高壓廠用變壓器的每相電感為0.632mH。

諧振頻率計(jì)算:

(1)5次濾波器:

濾波器的諧振頻率246.5Hz;

深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率:241.4Hz;同樣可以計(jì)算得惠州LNG電廠的為229Hz。

(2)7次濾波器:

濾波器的諧振頻率:348.3Hz;

深圳東部電廠SFC濾波器和高壓廠用變壓器的諧振頻率:=338.7Hz;同樣可以計(jì)算得惠州LNG電廠的為316.5Hz。

5 更換濾波器電容器、電感器的運(yùn)行情況

深圳東部電廠的SFC無源濾波器的5、7次濾波器的重新選配的電容電感參數(shù)為:5次濾波器:串聯(lián)電感:5mH每相;電容:89.6μF每相，額定電壓4.91kV，容量2000kVar;7次濾波器:串聯(lián)電感:5mH每相;電容:44.7μF每相，額定電壓4.91kV，容量1000kvar。在SFC運(yùn)行的整個(gè)過程中的平均總畸變率在3%左右，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是和惠州LNG電廠的6kV電壓波形比較，深圳東部電廠的新SFC無源濾波器的濾波效果不是很理想。

6 如何避免諧振和提高濾波效果

GB/T14549的基本思想是讓諧波電流盡可能少流入系統(tǒng)，盡可能多流入濾波器，根據(jù)圖7，就是設(shè)法讓濾波器的諧波阻抗盡可能比系統(tǒng)的諧波阻抗小。下面對(duì)各支路諧波阻抗和流入各分支的諧波電流進(jìn)行分析:

(1)深圳東部電廠

①5次諧波，見表1。

在表1中，Z5S:系統(tǒng)5次諧波阻抗(2×3.14×250×LS);ZF5:濾波器5次支路的5次諧波阻抗;I5:SFC產(chǎn)生的5次諧波電流;I5S:流入系統(tǒng)的5次諧波電流;IF5:流入濾波器5次支路的5次諧波電流。

②七次諧波，見表2。

在表2中，Z7S:系統(tǒng)7次諧波阻抗(2×3.14×350×LS);ZF7:濾波器7次支路的7次諧波阻抗;I7:SFC產(chǎn)生的7次諧波電流;I7S:流入系統(tǒng)的7次諧波電流;IF7:流入濾波器7次支路的7次諧波電流。

(2)惠州LNG電廠，見表3。

(3)比較可知，由于深圳東部電廠的高壓廠用變壓器的諧波阻抗很小，導(dǎo)致流入系統(tǒng)的諧波電流偏大，容易發(fā)生諧振，改造時(shí)為了避免諧振，把濾波器的濾波頻率偏離250Hz、350Hz大一點(diǎn)，卻導(dǎo)致濾波效果不佳。若要既能避免諧振又能提高濾波效果，則可以考慮以下辦法:方法一，把濾波器接在SFC變壓器的3.8kV側(cè)(其每相電感量為0.711MH)，既可以很好避免諧振又大大提高濾波效果，但是該變更由于涉及高壓電纜溝道的改造和濾波器容量的擴(kuò)容，難度大;方法二，電感采用空心電抗器，要求設(shè)計(jì)濾波支路的諧波阻抗要遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的諧波阻抗，但是空心電抗器占用空間大。

7 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，必須避免諧振，同時(shí)濾波效果要求達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。若變壓器低壓側(cè)需要配置濾波器時(shí)，那么該變壓器在設(shè)計(jì)選型時(shí)就需要選擇好接線組別和容量大小，盡量避免和濾波器的諧振，并且盡量阻隔諧波電流流進(jìn)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M]，北京:高等教育出版社，1996，429.