抽水蓄能電站網(wǎng)側(cè)諧波分析與消除

泰 榮，李子龍，王 熙

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省武漢市 430000）

0 引言

靜止變頻器（SFC）廣泛應(yīng)用于大型抽水蓄能電站機(jī)組抽水工況啟動(dòng)，滿足機(jī)組電動(dòng)機(jī)工況并網(wǎng)需要。靜止變頻系統(tǒng)（SFC）的核心部分由相控整流器和有源逆變器組成，通過對(duì)非線性半導(dǎo)體功率器件的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻[1]。SFC裝置運(yùn)行時(shí)，向電網(wǎng)注入大量高、低次諧波電流。諧波嚴(yán)重影響廠用電系統(tǒng)和其他設(shè)備，甚至導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)[2]。

分析機(jī)組抽水啟動(dòng)過程中的諧波并將其消除，可極大地改善電網(wǎng)環(huán)境。目前多采用無源調(diào)諧濾波器抑制諧波，但補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，LC濾波器過載甚至燒毀[3]；此外無源濾波器對(duì)低次諧波濾除效果也不理想，尤其頻率接近基波的諧波無法濾除；因負(fù)載換向變頻啟動(dòng)的力矩脈動(dòng)造成的網(wǎng)側(cè)電流不平衡，無源濾波器無法補(bǔ)償。有源濾波器可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，從而有效濾除諧波。

本文對(duì)靜止變頻器裝置（SFC）拖動(dòng)機(jī)組過程中的電網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行詳細(xì)分析，研究了有源濾波器（APF）消除網(wǎng)橋側(cè)諧波的方法，最后基于MATLAB對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 SFC傳動(dòng)系統(tǒng)諧波分析

靜止變頻系統(tǒng)（SFC）是由整流器和逆變器組成的一個(gè)晶閘管負(fù)載換流（LCI）交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[4]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SFC系統(tǒng)示意圖Figure 1 System diagram of SFC

此變頻器采用的是交—直—交的拓?fù)浞绞剑渲姓鳂驅(qū)⒔涣髯儞Q成直流，整流橋特性忽略整流過程中的換相過程和直流側(cè)電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為0，直流電感足夠大。根據(jù)傅里葉分解，十二脈波整流器電流的特征諧波為12k±1次，公式如下[5][6]：

式中：isa為整流橋網(wǎng)側(cè)電流；Id為直流側(cè)平均電流；k為諧波次數(shù)。負(fù)載換流式變頻器在拖動(dòng)同步電機(jī)的初始階段，因電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)低導(dǎo)致無法進(jìn)行晶閘管自然換向，故拖動(dòng)的全過程分為低速脈沖耦合階段和高速自然換向階段[7]。低速脈沖耦合階段網(wǎng)側(cè)典型電流波形及其傅里葉分解頻譜圖如圖2、圖3所示。

圖2 低速階段網(wǎng)側(cè)電流isa 1—強(qiáng)迫換相期間網(wǎng)側(cè)電流Figure 2 Grid-side isa in the low-speed period

圖3 低速階段網(wǎng)側(cè)電流isa頻譜圖Figure 3 Spectrum diagram of grid-side isa in the low-speed period

從圖2中可以看出，網(wǎng)側(cè)電流含有11、13、15等12k±1次特征諧波，電流諧波總含量THD=11.49%，明顯超過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)5%的范圍。各次諧波電流數(shù)值如表1所示。

高速自然換相階段SFC網(wǎng)側(cè)電流波形及其傅里葉分解頻譜圖如圖4、圖5所示。

圖4 高速階段網(wǎng)側(cè)電流isaFigure 4 Grid-side isa in the high-speed period

圖5 高速階段網(wǎng)側(cè)電流isa頻譜圖Figure 5 Spectrum diagram of grid-side isa in the high-speed period

表1 各次諧波電流數(shù)值Table 1 Each harmonic current value

從圖4、圖5可以看出，高速階段的波形除明顯的諧波超標(biāo)外，THD=16.55%，此之外還有低次非特征諧波。

2 有源濾波器原理

針對(duì)上述的靜止變頻系統(tǒng)的諧波分析可知，無源濾波器僅僅對(duì)高次諧波的濾除效果好，對(duì)低次諧波和不平衡電流的補(bǔ)償效果很差或幾乎沒有。有源電力濾波器可以用于濾除34次以下的特定次諧波[5]。基于IGBT并聯(lián)型有源電力濾波器通常存在PWM逆變器和主控制部分，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

如圖6所示，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流iL和進(jìn)線電壓，計(jì)算出諧波補(bǔ)償電流瞬時(shí)參考值ic*，根據(jù)補(bǔ)償電流指令信號(hào)ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流ic之間的差別，生成主電路各個(gè)器件通斷的PWM信號(hào)，保證補(bǔ)償電流ic實(shí)時(shí)跟蹤其指令信號(hào)ic*，抵消負(fù)載電流中諧波部分，使網(wǎng)側(cè)電流is不含諧波，實(shí)現(xiàn)濾波的目的[8]。

為了消除諧波，需進(jìn)行諧波檢測(cè)。根據(jù)瞬時(shí)功率和坐標(biāo)變換理論，對(duì)于三相平衡系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)含有諧波成分時(shí)，Park變換后電流可分為直流分量和交流分量，其中基波對(duì)應(yīng)直流分量，諧波對(duì)應(yīng)交流分量，去除其變換后的交流分量，將其直流分量進(jìn)行反變換得到負(fù)載電流基波分量，將負(fù)載電流減去基波分量即可得諧波分量。其中負(fù)序電流變換后為一個(gè)2倍頻的諧波，可低通濾波器濾除[8]。基于此的ip、iq檢測(cè)諧波方法原理如圖7所示。

圖6 并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6 Schematic diagram of shunt active power filter

圖7 ip-iq檢測(cè)法原理圖Figure 7 Principle of ip-iq detection

圖7中，將采樣的三相電流ia、ib、ic和進(jìn)行Park坐標(biāo)變換（d軸與A相重合），分離出有功和無功電流ip、iq。低通濾波器的作用是得到有功和無功電流的直流分量。最后在逆變換之后，與三相電流做加減運(yùn)算，可以得出諧波指令電流。其中坐標(biāo)變換矩陣[8]

為Clark變換及其反變換矩陣。

為Clarkαβ坐標(biāo)系與Parkdq坐標(biāo)系之間的變換矩陣。

3 諧波補(bǔ)償效果

基于MATLAB仿真軟件，對(duì)機(jī)組變頻啟動(dòng)過程中進(jìn)行仿真，并分別對(duì)投入有源電力濾波器前后的波形進(jìn)行對(duì)比，通過快速傅里葉變化分析網(wǎng)側(cè)電流的總諧波含量。低速脈沖耦合階段SFC網(wǎng)側(cè)補(bǔ)償前的電流波形、補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形如圖8、圖9所示。

從圖8~圖10中看出，低速階段補(bǔ)償前的網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重，補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流呈正弦化，電流畸變率THD=1.51%，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波的要求，諧波含量如表2所示。

圖8 低速階段補(bǔ)償前的網(wǎng)側(cè)電流isaFigure 8 Grid-side isa before compensation in the low-speed period

圖9 低速階段補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流isaFigure 9 Grid-side isa after compensation in the low-speed period

高速自然換相階段SFC網(wǎng)側(cè)電流補(bǔ)償前后的波形如圖11、圖12所示。

圖11和圖12是高速階段的網(wǎng)側(cè)電流補(bǔ)償前后波形圖，從中可知，高速階段網(wǎng)側(cè)電流波形不僅僅會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的諧波，而且電流也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡的情況，對(duì)電網(wǎng)和廠用電設(shè)備造成嚴(yán)重的危害，在投入濾波器后，網(wǎng)側(cè)電流諧波和不平衡的情況均得到了消除，此時(shí)THD=0.41%，使網(wǎng)側(cè)電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。消除了SFC拖動(dòng)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的諧波危害。

圖10 低速階段補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流isa頻譜圖Figure 10 Spectrum of grid-side current isa after compensation in low-speed period

表2 各次諧波電流數(shù)值Table 2 Each harmonic current value

圖11 高速階段補(bǔ)償前的網(wǎng)側(cè)電流isaFigure 11 Grid-side current isa before compensation in the high-speed period

圖12 高速階段補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流isaFigure 12 Grid-side current isa after compensation in the high-speed period

圖13 高速階段補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流isa頻譜圖Figure 13 Spectrum of grid-side current isa after compensation in high-speed period

4 結(jié)論

靜止變頻器（SFC）在拖動(dòng)機(jī)組抽水過程中，因非線性的電力電子負(fù)載和拖動(dòng)力矩脈動(dòng)，造成網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重和不平衡，在SFC網(wǎng)側(cè)并聯(lián)一臺(tái)有源濾波器，利用其對(duì)諧波頻次無要求和動(dòng)態(tài)濾波的能力，實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)窒C波電流，低速階段將電流諧波含量THD從11.49%降至1.51%，高度階段的電流諧波含量THD從16.55%降至0.41%，且消除了電流不平衡情況，仿真結(jié)果表明在SFC的高壓側(cè)裝設(shè)適當(dāng)容量的有源電力濾波器，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償任何諧波，極大的改善電網(wǎng)環(huán)境，保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。