劉景輝

（神華準(zhǔn)能矸石發(fā)電公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，火力發(fā)電廠逐步向大容量和高參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)展。這些機(jī)組燃用大量煤炭的同時(shí)，也消耗了大量水資源。在“富煤缺水”地區(qū)或干旱地區(qū)建設(shè)火力發(fā)電廠時(shí)，發(fā)電廠汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)采用空氣冷卻系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱發(fā)電廠空冷系統(tǒng)）。由于直接空冷多采用機(jī)械通風(fēng)方式，因此系統(tǒng)所需的空氣由大直徑風(fēng)機(jī)提供。這需要很多低壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行，將導(dǎo)致能耗增大。直接空冷系統(tǒng)自耗電占機(jī)組發(fā)電容量的1%～1.5%。為了降低空冷風(fēng)機(jī)的耗電率，決定采用低壓變頻器驅(qū)動(dòng)以適時(shí)調(diào)速，從而達(dá)到節(jié)能降耗。

變頻器在當(dāng)今工業(yè)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。隨著發(fā)電廠對(duì)空冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體水平的要求要來(lái)越高，發(fā)電廠空冷風(fēng)機(jī)的變頻器的安全穩(wěn)定運(yùn)行變得尤為關(guān)鍵。夏季所有空冷風(fēng)機(jī)變頻器長(zhǎng)時(shí)間滿頻率甚至超頻率運(yùn)行，使得380 V空冷段電能質(zhì)量不合格，即電壓總諧波畸變率超標(biāo)。另外，大量諧波的存在使得空冷變頻器出現(xiàn)局部高溫，從而加快了變頻器的老化?？绽渥冾l室室溫超溫會(huì)影響變頻器的出力，進(jìn)而影響機(jī)組帶負(fù)荷能力。

電能質(zhì)量的好壞直接影響火力發(fā)電廠運(yùn)行的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)效益。理想的電能波形應(yīng)該是完美對(duì)稱的正弦波，但正常運(yùn)行過(guò)程中的某些因素會(huì)使完美對(duì)稱的正弦波偏離對(duì)稱正弦，由此產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題——諧波。諧波的存在容易形成諧波污染，其中變頻器是構(gòu)成直接空冷機(jī)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(diào)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(guān)書籍中對(duì)諧波有準(zhǔn)確的定義。廣義上講，由于交流電網(wǎng)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(shí)諧波的意義已經(jīng)變得與原意有些不相符合。嚴(yán)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(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流和電壓產(chǎn)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(shù)。

1.2 諧波的類別

根據(jù)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(tǒng)中，對(duì)稱關(guān)系已經(jīng)消除了偶次諧波，只存在奇次諧波。

2 330 WM直接空冷機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

發(fā)電廠空冷技術(shù)從提出到現(xiàn)在歷時(shí)有60余年，在國(guó)際上的發(fā)展相對(duì)較快。當(dāng)前，單機(jī)容量1 000 MW的空冷發(fā)電機(jī)組已進(jìn)入發(fā)展期，空冷機(jī)組在干旱地區(qū)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入加速期，多種類型機(jī)組相繼出現(xiàn)，如直接空冷、間接空冷以及干濕聯(lián)合冷卻機(jī)組[2]。

330 WM直接空冷機(jī)組為了降低空冷系統(tǒng)自身的空冷耗電率，大量引入變頻器來(lái)調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)空冷電動(dòng)機(jī)。目前，投入運(yùn)行的330 WM直接空冷機(jī)組中，每臺(tái)機(jī)組大多配置30臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)，分成6列安裝，每列5臺(tái)風(fēng)機(jī)，每臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)配置1臺(tái)160 kW空冷電動(dòng)機(jī)，同時(shí)配置1臺(tái)與之相匹配的200 kW變頻器。同時(shí)，變頻器采用工業(yè)型、重載型以及全面矢量控制型產(chǎn)品。

每臺(tái)機(jī)組的30臺(tái)變頻器安裝在同一個(gè)空冷配電室內(nèi)，平均配置為3個(gè)380 V空冷段，每個(gè)380 V空冷段接帶10臺(tái)變頻器。所有變頻器都安裝在同一個(gè)配電室內(nèi)，由于變頻器本身及相互之間的電磁干擾，可能導(dǎo)致380 V空冷段在運(yùn)行過(guò)程中電能質(zhì)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(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）。

諧波的影響和危害在電力廣泛應(yīng)用的今天無(wú)處不在，在直接空冷發(fā)電廠也普遍存在。直接空冷發(fā)電廠中諧波的產(chǎn)生主要是因?yàn)樽冾l器的大量使用。要高度重視對(duì)非線性用電設(shè)備產(chǎn)生諧波的治理，尋找合理的解決方法使諧波分量不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從根本上消除空冷發(fā)電廠中的諧波污染[3]。

3 330 MW直接空冷機(jī)組380 V空冷段諧波電壓測(cè)試

3.1 試驗(yàn)原理

380 V空冷段諧波測(cè)試時(shí)，根據(jù)測(cè)試工作的具體情況和要求，選擇三相三線系統(tǒng)接線圖進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)備為Fluke1760三相電能質(zhì)量分析儀和Fluke17B萬(wàn)用表。

3.2 主要參數(shù)設(shè)置

設(shè)置試驗(yàn)的主要參數(shù)如下：機(jī)組負(fù)荷230 MW，環(huán)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(tǒng)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(cè)試數(shù)據(jù)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(cè)試分析時(shí)，在380 V空冷PC段的電壓等級(jí)為0.38 kV，諧波電壓總畸變率為7.65%。試驗(yàn)中主要諧波次數(shù)及諧波電壓的含有率達(dá)到6.227%的有5次，其他諧波次數(shù)及諧波電壓含有率達(dá)到2.73%的有11次。經(jīng)分析，諧波電壓的畸變率超標(biāo)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

利用便攜式諧波測(cè)試儀測(cè)量380 V空冷段的諧波，分析測(cè)量數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：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(guò)1.0%，380 V空冷段5次諧波達(dá)到了6.35%以上，380 V空冷段電壓總諧波畸變率更是達(dá)到了7.65%，都超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直觀得出結(jié)論：330 MW直接空冷機(jī)組380 V空冷段電能質(zhì)量嚴(yán)重不合格，380 V空冷段諧波電壓指標(biāo)不滿足國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T 14549—1993的要求[4]。

測(cè)量過(guò)程中，機(jī)組接帶負(fù)荷不高，環(huán)境溫度較低，空冷風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，變頻器低頻率運(yùn)行。也就是說(shuō)，在變頻器頻率較低的情況下測(cè)得的380 V空冷段諧波電壓及電壓總諧波畸變率都超過(guò)了國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。如果在滿負(fù)荷、環(huán)境溫度較高、變頻器滿頻率運(yùn)行的情況下，測(cè)出的數(shù)據(jù)會(huì)更高，驗(yàn)證了380 V空冷段是330 MW直接空冷發(fā)電機(jī)組的諧波產(chǎn)生點(diǎn)，對(duì)整個(gè)380 V空冷段及空冷機(jī)組的運(yùn)行會(huì)有一定的影響。

3.5 380 V空冷段諧波超標(biāo)原因

330 MW直接空冷機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，將每臺(tái)機(jī)組的30臺(tái)大功率變頻器安裝在同一個(gè)空冷配電室內(nèi)?？绽渥冾l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(guān)特性對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，因此電流流經(jīng)變頻器時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，會(huì)在變頻器的電流回路中形成非標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致變頻器輸出電壓的波形發(fā)生畸變形成諧波電壓。變頻器運(yùn)行過(guò)程、電源整流以及逆變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種諧波。由非線性原件組成的系統(tǒng)在開斷過(guò)程中，它的輸入端和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這與380 V空冷段諧波產(chǎn)生原因相符[5]。

3.6 380 V空冷段諧波超標(biāo)對(duì)空冷機(jī)組正常運(yùn)行帶來(lái)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(yùn)行的工頻電流疊加，使得疊加后的總電流變大，導(dǎo)致負(fù)荷電流變大，變頻器運(yùn)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(yùn)行溫度升高。若變頻器長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行，則變頻器的效率變差，還會(huì)加快變頻器的老化速度，甚至?xí)驕囟冗^(guò)高而跳閘，影響空冷機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(fā)生畸變，使得輸入電流幅值增大，且變頻器整流回路中無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器負(fù)擔(dān)過(guò)大，容易使電容器產(chǎn)生過(guò)電壓，導(dǎo)致變頻器運(yùn)行不正常。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電壓運(yùn)行會(huì)損壞無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器，進(jìn)而影響變頻器的工作性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)擊穿電容器甚至?xí)痣娙萜鞅ㄖ稹?/p>

（3）380 V空冷段電壓諧波嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生的諧波電流會(huì)使空冷電動(dòng)機(jī)損耗增加、效率降低。變頻器直接驅(qū)動(dòng)的空冷電動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。由于諧波電流的存在，電動(dòng)機(jī)損耗增加，繞組溫度上升，縮短了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。此外，諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)繞組不均勻處由于過(guò)熱導(dǎo)致的絕緣層損壞，從而降低電動(dòng)機(jī)的絕緣水平。

（4）380 V空冷段產(chǎn)生的諧波會(huì)影響空冷變壓器的繼電保護(hù)和空冷段備自投裝置動(dòng)作的可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)繼電保護(hù)裝置使用的是電磁式繼電器，加之保護(hù)定值是按照電流和電壓的基波量來(lái)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(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，失去繼電保護(hù)動(dòng)作的選擇性，可靠性降低，容易造成380 V空冷段故障，威脅發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.7 380 V空冷段諧波超標(biāo)的處理方法

3.7.1 安裝適當(dāng)?shù)妮斎腚娍蛊?/p>

在380 V動(dòng)力電源與空冷變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)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(chǎn)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(shù)）增大，從根本上降低了380 V空冷段電壓諧波的總畸變率。因?yàn)?80 V空冷變頻器的功率大都在200 kW左右，所以完全能實(shí)現(xiàn)在380 V動(dòng)力電源與空冷變頻器輸入側(cè)之間串聯(lián)交流電抗器。

3.7.2 安裝適當(dāng)?shù)妮斎霝V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(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，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(jìn)行頻譜分析。

在380 V動(dòng)力電源與空冷變頻器輸入側(cè)之間并聯(lián)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(dá)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(dòng)態(tài)諧波濾波器

通常，諧波電流與諧波源設(shè)備的工作電流成正比。TSF動(dòng)態(tài)諧波濾波器由控制器測(cè)量出負(fù)荷諧波電流，控制雙向可控硅過(guò)零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾除非線性負(fù)荷的諧波和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率。另外，在投切過(guò)程中無(wú)沖擊、無(wú)涌流、無(wú)過(guò)渡。通過(guò)加裝新型的TSF動(dòng)態(tài)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(duì)空冷變頻器進(jìn)行降容改造

將目前空冷島使用的大功率電機(jī)+減速機(jī)系統(tǒng)更換為功率較小的永磁直驅(qū)電機(jī)，省去中間減速機(jī)，可以將原來(lái)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(dòng)機(jī)為永磁電機(jī)，因此空冷變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率由原來(lái)的50 Hz降低到23 Hz左右，即可滿足空冷電動(dòng)機(jī)出力。另外，通過(guò)改造還能減小變頻器的體積，降低變頻器的發(fā)熱、相關(guān)電子元件的容量以及產(chǎn)生的諧波，還能達(dá)到降低380 V空冷段電壓諧波總畸變率的目的。

4 結(jié) 論

近年來(lái)，在“富煤缺水”地區(qū)或干旱地區(qū)新建大量大容量直接空冷機(jī)組。由于變頻器具有容易操作、控制精度高以及維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，而且可以節(jié)能降耗，因此在直接空冷機(jī)組中投運(yùn)數(shù)量大大增加，但變頻器的大量使用會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波污染。這些諧波污染給電氣設(shè)備及發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行帶來(lái)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(jī)組空冷變頻器運(yùn)行現(xiàn)狀、空冷變頻器產(chǎn)生諧波原因、380 V空冷段電壓諧波總畸變率超標(biāo)原因以及諧波給機(jī)組正常運(yùn)行帶來(lái)的影響，提出了解決330 MW空冷機(jī)組380 V空冷段諧波超標(biāo)的方法，可為相關(guān)工作提供參考。