330 MW直接空冷機組380 V空冷段電壓總諧波畸變率超標原因分析及處理方法

劉景輝

（神華準能矸石發電公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引 言

隨著國家經濟的持續發展，火力發電廠逐步向大容量和高參數汽輪發電機組發展。這些機組燃用大量煤炭的同時，也消耗了大量水資源。在“富煤缺水”地區或干旱地區建設火力發電廠時，發電廠汽輪機凝汽系統采用空氣冷卻系統（簡稱發電廠空冷系統）。由于直接空冷多采用機械通風方式，因此系統所需的空氣由大直徑風機提供。這需要很多低壓電動機拖動空冷風機運行，將導致能耗增大。直接空冷系統自耗電占機組發電容量的1%～1.5%。為了降低空冷風機的耗電率，決定采用低壓變頻器驅動以適時調速，從而達到節能降耗。

變頻器在當今工業發展中起著舉足輕重的作用。隨著發電廠對空冷風機系統整體水平的要求要來越高，發電廠空冷風機的變頻器的安全穩定運行變得尤為關鍵。夏季所有空冷風機變頻器長時間滿頻率甚至超頻率運行，使得380 V空冷段電能質量不合格，即電壓總諧波畸變率超標。另外，大量諧波的存在使得空冷變頻器出現局部高溫，從而加快了變頻器的老化。空冷變頻室室溫超溫會影響變頻器的出力，進而影響機組帶負荷能力。

電能質量的好壞直接影響火力發電廠運行的安全穩定與經濟效益。理想的電能波形應該是完美對稱的正弦波，但正常運行過程中的某些因素會使完美對稱的正弦波偏離對稱正弦，由此產生電能質量問題——諧波。諧波的存在容易形成諧波污染，其中變頻器是構成直接空冷機組的主要諧波污染源。

變頻器的基本電路由整流電路和逆變電路兩部分組成。整流電路是將工頻交流電整流成直流電，逆變電路是將整流后的直流電逆變成頻率和電壓可調的交流電。變頻速裝置一般采用交-直-交的電壓模式。

1 諧波的定義、類別

1.1 諧波的定義

相關書籍中對諧波有準確的定義。廣義上講，由于交流電網的有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。這時諧波的意義已經變得與原意有些不相符合。嚴格意義上講，諧波是指電流和電壓中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流和電壓產生的電量[1]。另外，諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數。

1.2 諧波的類別

根據諧波頻率的不同，諧波可以分為奇次諧波和偶次諧波。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，對稱關系已經消除了偶次諧波，只存在奇次諧波。

2 330 WM直接空冷機組運行現狀

發電廠空冷技術從提出到現在歷時有60余年，在國際上的發展相對較快。當前，單機容量1 000 MW的空冷發電機組已進入發展期，空冷機組在干旱地區的發展已經進入加速期，多種類型機組相繼出現，如直接空冷、間接空冷以及干濕聯合冷卻機組[2]。

330 WM直接空冷機組為了降低空冷系統自身的空冷耗電率，大量引入變頻器來調節和驅動空冷電動機。目前，投入運行的330 WM直接空冷機組中，每臺機組大多配置30臺空冷風機，分成6列安裝，每列5臺風機，每臺空冷風機配置1臺160 kW空冷電動機，同時配置1臺與之相匹配的200 kW變頻器。同時，變頻器采用工業型、重載型以及全面矢量控制型產品。

每臺機組的30臺變頻器安裝在同一個空冷配電室內，平均配置為3個380 V空冷段，每個380 V空冷段接帶10臺變頻器。所有變頻器都安裝在同一個配電室內，由于變頻器本身及相互之間的電磁干擾，可能導致380 V空冷段在運行過程中電能質量不合格，主要指諧波電壓和電壓總諧波畸變率不合格（超過國家標準）。

諧波的影響和危害在電力廣泛應用的今天無處不在，在直接空冷發電廠也普遍存在。直接空冷發電廠中諧波的產生主要是因為變頻器的大量使用。要高度重視對非線性用電設備產生諧波的治理，尋找合理的解決方法使諧波分量不超過國家標準，從根本上消除空冷發電廠中的諧波污染[3]。

3 330 MW直接空冷機組380 V空冷段諧波電壓測試

3.1 試驗原理

380 V空冷段諧波測試時，根據測試工作的具體情況和要求，選擇三相三線系統接線圖進行測量。試驗設備為Fluke1760三相電能質量分析儀和Fluke17B萬用表。

3.2 主要參數設置

設置試驗的主要參數如下：機組負荷230 MW，環境溫度8 ℃，380 V空冷PC段CT變比為4 000/5。另外，380 V空冷段的三相系統中，A相、B相和C相的電壓有效值分別為222.74 V、221.25 V以及221.30 V，電流有效值分別為0.401 89 A、0.335 15 A以及0.491 20 A。

3.3 測試數據分析

380 V空冷段電壓、電流波形圖，如圖1所示。

圖1 380 V空冷段電壓、電流波形圖

380 V空冷段諧波電壓含量如表1所示。

表1 380 V空冷段諧波電壓含量

380 V空冷段諧波電壓測試分析時，在380 V空冷PC段的電壓等級為0.38 kV，諧波電壓總畸變率為7.65%。試驗中主要諧波次數及諧波電壓的含有率達到6.227%的有5次，其他諧波次數及諧波電壓含有率達到2.73%的有11次。經分析，諧波電壓的畸變率超標。

3.4 試驗結果

利用便攜式諧波測試儀測量380 V空冷段的諧波，分析測量數據后發現：380 V空冷段5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波電壓的含量都超過1.0%，380 V空冷段5次諧波達到了6.35%以上，380 V空冷段電壓總諧波畸變率更是達到了7.65%，都超過國家標準。從試驗數據可以直觀得出結論：330 MW直接空冷機組380 V空冷段電能質量嚴重不合格，380 V空冷段諧波電壓指標不滿足國標《電能質量公用電網諧波》GB/T 14549—1993的要求[4]。

測量過程中，機組接帶負荷不高，環境溫度較低，空冷風機低速運行，變頻器低頻率運行。也就是說，在變頻器頻率較低的情況下測得的380 V空冷段諧波電壓及電壓總諧波畸變率都超過了國標標準。如果在滿負荷、環境溫度較高、變頻器滿頻率運行的情況下，測出的數據會更高，驗證了380 V空冷段是330 MW直接空冷發電機組的諧波產生點，對整個380 V空冷段及空冷機組的運行會有一定的影響。

3.5 380 V空冷段諧波超標原因

330 MW直接空冷機組設計時，將每臺機組的30臺大功率變頻器安裝在同一個空冷配電室內。空冷變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路。由于變頻器逆變電路的開關特性對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，因此電流流經變頻器時，與所加的電壓不呈線性關系，會在變頻器的電流回路中形成非標準正弦電流，而這些電流可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波。由于這些正弦電流相互影響、干擾以及諧波電流之間的相互疊加，導致變頻器輸出電壓的波形發生畸變形成諧波電壓。變頻器運行過程、電源整流以及逆變過程中會產生各種諧波。由非線性原件組成的系統在開斷過程中，它的輸入端和輸出端都會產生高次諧波，這與380 V空冷段諧波產生原因相符[5]。

3.6 380 V空冷段諧波超標對空冷機組正常運行帶來的影響

（1）380 V空冷段電壓諧波總畸變率不合格，使得380 V空冷段諧波電流明顯增大。諧波電流與正常運行的工頻電流疊加，使得疊加后的總電流變大，導致負荷電流變大，變頻器運行中的損耗增大（損耗和電流的平方成正比），從而使變頻器的運行溫度升高。若變頻器長時間高溫運行，則變頻器的效率變差，還會加快變頻器的老化速度，甚至會因溫度過高而跳閘，影響空冷機組的安全穩定運行。

（2）380 V空冷段電壓諧波總畸變率不合格，空冷變頻器輸入端電壓波形發生畸變，使得輸入電流幅值增大，且變頻器整流回路中無功補償裝置電容器負擔過大，容易使電容器產生過電壓，導致變頻器運行不正常。長時間過電壓運行會損壞無功補償裝置電容器，進而影響變頻器的工作性能和使用壽命，嚴重時可能會擊穿電容器甚至會引起電容器爆炸著火。

（3）380 V空冷段電壓諧波嚴重畸變而產生的諧波電流會使空冷電動機損耗增加、效率降低。變頻器直接驅動的空冷電動機為異步電動機，屬于感性負載。由于諧波電流的存在，電動機損耗增加，繞組溫度上升，縮短了電動機的使用壽命。此外，諧波還會引起電動機繞組不均勻處由于過熱導致的絕緣層損壞，從而降低電動機的絕緣水平。

（4）380 V空冷段產生的諧波會影響空冷變壓器的繼電保護和空冷段備自投裝置動作的可靠性。由于現場繼電保護裝置使用的是電磁式繼電器，加之保護定值是按照電流和電壓的基波量來整定的，整定值小且靈敏度高，因此易受到諧波的干擾，從而引起空冷變壓器繼電保護誤動或拒動，失去繼電保護動作的選擇性，可靠性降低，容易造成380 V空冷段故障，威脅發電機組的安全穩定運行。

3.7 380 V空冷段諧波超標的處理方法

3.7.1 安裝適當的輸入電抗器

在380 V動力電源與空冷變頻器輸入側之間串聯交流電抗器，目的是增加變頻器整流回路中的阻抗值。由于電抗器的高阻抗能有效抑制諧波電流的產生，因此使得空冷變頻器三相輸入電壓趨于平衡，輸入電源的力率（功率因數）增大，從根本上降低了380 V空冷段電壓諧波的總畸變率。因為380 V空冷變頻器的功率大都在200 kW左右，所以完全能實現在380 V動力電源與空冷變頻器輸入側之間串聯交流電抗器。

3.7.2 安裝適當的輸入濾波器

濾波器是一種選頻裝置，是由電容、電感以及電阻組成的濾波電路，可以使信號中特定的頻率成分通過，極大地衰減其他頻率成分。利用濾波器的選頻作用可以有效濾除干擾噪聲進行頻譜分析。

在380 V動力電源與空冷變頻器輸入側之間并聯的射頻濾波器由高頻電容器組成，可以吸收頻率較高且具有輻射能量的諧波成分，降低諧波干擾，從而達到降低380 V空冷段電壓諧波總畸變率的目的。

3.7.3 安裝新型的TSF動態諧波濾波器

通常，諧波電流與諧波源設備的工作電流成正比。TSF動態諧波濾波器由控制器測量出負荷諧波電流，控制雙向可控硅過零觸發，實現動態濾除非線性負荷的諧波和動態補償無功功率。另外，在投切過程中無沖擊、無涌流、無過渡。通過加裝新型的TSF動態諧波濾波器，可以有效降低380 V空冷段電壓諧波的總畸變率。

3.7.4 對空冷變頻器進行降容改造

將目前空冷島使用的大功率電機+減速機系統更換為功率較小的永磁直驅電機，省去中間減速機，可以將原來功率為200 kW的變頻器更換為160 kW的變頻器，降低變頻器的工作電流。由于空冷電動機為永磁電機，因此空冷變頻器的實際運行頻率由原來的50 Hz降低到23 Hz左右，即可滿足空冷電動機出力。另外，通過改造還能減小變頻器的體積，降低變頻器的發熱、相關電子元件的容量以及產生的諧波，還能達到降低380 V空冷段電壓諧波總畸變率的目的。

4 結 論

近年來，在“富煤缺水”地區或干旱地區新建大量大容量直接空冷機組。由于變頻器具有容易操作、控制精度高以及維護工作量小等特點，而且可以節能降耗，因此在直接空冷機組中投運數量大大增加，但變頻器的大量使用會在運行過程中產生諧波污染。這些諧波污染給電氣設備及發電機組的可靠運行帶來了較大隱患。因此，從變頻器的原理和用途入手，分析330 MW空冷機組空冷變頻器運行現狀、空冷變頻器產生諧波原因、380 V空冷段電壓諧波總畸變率超標原因以及諧波給機組正常運行帶來的影響，提出了解決330 MW空冷機組380 V空冷段諧波超標的方法，可為相關工作提供參考。