（电力电子与电力传动专业论文）抽水蓄能电站sfc装置谐波分析及抑制措施研究.pdf

塑望盔堂堡主兰堡堕塞 。i 堕 a b s t r a c t a st h em o s te f f e c t i v em e a n st oi n c r e a s et h ee c o n o m i c sa n dr e l i a b i l i t yo fp o w e r s t a t i o n p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o n w i t hs t a t i cf r e q u e n c yc o n v e n e r ( s f c ) f o r s t a r t u di sw i d e l yu s e di nd e v e l o p e dc o u n t r y r e c e n t l yc h i n a a l s oi m p l e m e n t ss e v e r a l p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o np r o j e c t s p o w e rh a r m o n i c sc a u s e db ys f r e s u l t s p e o p l e c o n c e i t l 1 m sp a p e ri n v e s t i g a t e sh a r m o n i c sc a u s e db ys f ci np u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o nt h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nc h a p t e ro n ed e v e l o p m e n t so fp u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a t i o ni nt h ew o r l da l e i n v e s t i g a t e d a n d h a r m o n i c ss u p p r e s s i o nm e t h o df o rs f ci ss u r v e y e d w o r k i n g p r i n c i o l e so fs f c u s e di np u m p e d s t o r a g ep o w e r s t a t i o na l ei n t r o d u c e d i nc h a p t e rt w o h a r m o n i cs t a n d a r di sp r e s e n t e d t h ef o r m u l a t i o na n di n f e r e n c e o fc h i n e s eh a r m o h i es t a n d a r da l ei n v e s t i g a t e d h a n n o n i cs t a n d a r da p p l i e dt op u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni sd i s c u s s e d n l eh a r m o n i cs t a n d a r do f1 8 k vs i d e ( s f c ) a n d 5 0 0 k va r ed e d u c e df r o mp r i n c i p l eo fd e s i g no fc h i n e s eh a r m o n i cs t a n d a r d h ic h a p t e rt h r e es i x p u l s ea n d t w e l v e - p u l s es f c a n dt h er e l a t i o no fc o n t r o la n g l e a n dd h a s e s h i f ta n g l eo f 也ec o n v e n e ra r ea n a l y z e d h a r m o n i c sm o d e lo fp u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o na l ee s t a b l i s h e db vs a b e rs i m u l a t i o np r o g r a r n t h ef e a s i b i l i t y o ft h i sm o d e li sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o no fa p r o j e c t i n c h a p t e rf o u rd i f f e r e n th a r m o n i c se l i m i n a t i o n m e 出o d sa p p l i e df o rb u ( p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n e x p l a i n e d 0 u e i s a p p l i c a t i o n o fl o wh a r m o n i c e q u i p m e n t m o t h e ri sa p p l i c a t i o no fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r k e y w o r d ：h a r m o n i c ，p u m p e ds t o r a g ep o w e rs t a d o n ，s f c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 抽水蓄能电站调峰填谷的优点可以提高电力系统的经济性和稳定性，正为世界推 广应用。抽水蓄能电站一般采用静止变频装置( s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ，s f c ) 启 动方案，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“1 ，但s f c 工作会在电网中产生谐波，对电网造成污染，随着我国抽水蓄能电 站的逐步推广，愈来愈引起有关方面的关注。然而，目前国内对s f c 的谐波影响和对策 尚未深入研究。 1 1 背景 1 1 1 抽水蓄能电站介绍 电力系统中，在负荷高峰期，发电设备的利用率高：但是在负荷低谷时，发电设备 不能得到充分的利用，从而造成电力系统发电设备投资的浪费。另外，为了满足负荷的 变化，火力发电机组不断改变出力情况，增加了机组的起停次数并且增加了起停时的额 外燃料耗费“1 。 负 荷 万 州 负 荷 l 万 州 上库 一上游 图i - i - 1 抽水蓄能电站日运行过程图 图i - i - 2 纯抽水蓄能电站原理图 电网愈大，调峰填谷问题、提高水火电站利用率和减少系统能耗问题以及提高供电 质量和安全可靠度问题都愈来愈重要。大容量抽水蓄能电站正好可以起到调峰填谷作 用，图1 - 1 1 为抽水蓄能电站在日负荷图上的运行过程。图1 1 2 为抽水蓄能电站的工 作原理图，抽水蓄能电站在电力系统低谷负荷时，将剩余电力抽水到高处，电能转换为 塑坚奎兰堡主兰垡笙壅苎二兰! ! 堡 势能储存起来，这时抽水蓄能电站是用户；在高峰负荷时放水，将储存的势能转换为电 能发电的水电站，这时抽水蓄能电站是发电厂。 抽水蓄能电站与火电、核电配合运行，因其填谷作用，可节省火电机组低出力的高 燃料耗费和机组起停的额外燃料耗费，减少火电机组开停机次数；通过蓄能电站可稳定 核电站的负荷，提高核电站的安全陛，因而增长火电机组和核电机组运行寿命。因此在 以火电、核电为主的电力系统中，修建适当比例的抽水蓄能电站有利于提高综合经济指 标。此外，抽水蓄能电站还可承担电力系统的负荷备用，事故备用和调频、调相任务。 所以，抽水蓄能电站不但可提高电力系统运行的经济性，且有助于降低系统事故率、提 高供电的可靠性。 世界上最早的抽水蓄能电站是1 8 8 2 年建于瑞士苏黎世的奈特拉抽水蓄能电站，电 站容量为5 1 5 k w 。2 0 世纪5 0 年代以后，随着核电站和大容量火电机组大批投产，为提 高电力系统电源的调峰能力和减少调峰费用，兴建了许多抽水蓄能电站。电站的技术水 平也不断提高。根据国际水力发电及坝建设1 9 9 0 年第4 期资料，世界上单站规模 超过1 0 0 0 m w 的抽水蓄能电站已投入运行的有3 2 座，其中日本1 0 座，美国7 座，意 大利4 座，中国( 包含台湾省) 3 座。单站规模最大的是美国的巴斯康蒂( b a t h c o u n t r y 抽水蓄能电站，装机容量6 3 5 0 m w 。单机规模最大的是美国的腊孔山( m t r a c c o o n ) 抽水蓄能电站，单机容量3 8 3 m w ，共装4 台”1 。 中国抽水蓄能电站建设起步较晚。1 9 6 8 年在岗南水库安装了第一台机组，由日本 制造，单机1 1 m w 。1 9 7 5 年在密云水库安装了2 台中国制造的单机1 1 m w 机组。1 9 8 9 年潘家口抽水蓄能电站的第一台机组投产，单机9 0 m w 。自从9 0 年代以后，我国兴建 了广蓄i 期、广蓄期、十三陵、天荒坪等大型抽水蓄能电站和一批中型抽水蓄能电站， 目前在建和待开工的项目及规划的项目也有很多，总结这些电站在s f c 谐波抑制方面 的经验也是很有必要的。 对于大型抽水蓄能电站，电气部分的主要组 成部分有：高压网侧、主变压器、s f c 用隔离变 压器、s f c 装置、厂用电变压器、厂用电部分及 发电电动机。高压网侧为5 0 0 k v 或者2 2 0 k v 供电 电压，经过降压主变压器给s f c 装置和发电电动 机供电，再经过一个厂用电降压变压器与厂用电 部分相连接。 大型抽水蓄能电站的典型电气接线图如图 1 1 3 所示。图中的1 为高压网侧，2 为主变压器、 3 为输入限流电抗器、4 为s f c 用隔离变压器、5 为s f c 装置、6 为输出电抗器、7 为发电电动机、 8 为厂用电变压器、9 为厂用电部分。 在启动发电电动机组时，将图1 - 1 - 3 中a 处的 断路器断开，b 处的断路器合上，启动装置将机组 2 图1 1 3 抽水蓄能电站系统典型接线图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 启动起来，待机组进入正常运行状态时，断路器b 断开，断路器a 合上，发电电动机组 并入电网。 当然以上所述只是一种一般情况，对于不同的抽水蓄能电站，其实际的电路及采用 器件会略有不同，这需要视实际情况而定。 抽水蓄能电站有起停灵活、增减工作出力快的优点，从全停到满载发电约5 m i n ， 从全停到满载抽水约8 m i n ，从满载发电或满载抽水到与电网解列约1 m i n 。所以大型抽 水蓄能电站s f c 装置产生的谐波有它的特点：一、工作时间，只持续几分钟；二、电站直 接接人高压或超高压电网，s f c 装置与公用配电网经过几级变压器的隔离。 1 。1 。2 静止变频启动装置s f c 介绍 蓄能电站的水泵工况有四种起动方式：异步起动方式；同步起动方式：半 同步起动方式；同轴小电机起动方式；静止变频器起动方式。静止变频装置s f c ( s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 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。随着现代电力电子技术、自动控制技术和计算机技术 的进步，s f c 性能不断提高，技术先进性和经济性也更明显。s f c 装置巳在大型抽水 蓄能电站得到广泛应用，成为水泵抽水工况的主选起动方式。我国在近几年所建的抽水 蓄能电站大多也采取这种方式“1 。 输 平渡电抗器 ， 一厂一( )j一_ ， jlj lj ，一f jf 一_ ，!j r输 】lj 一 整流器 平波电抗器逆变嚣 图1 1 4 抽水蓄能电站s f c 装置典型接线图 静止变频装置起动，如图1 - 1 - 4 所示，利用可控硅变频装置输出频率逐渐上升的交 流电源将待起动的发电电动机组驱动起来，从电力系统来的工频交流电源经整流器变成 直流，然后由逆变器把直流变成频率从零至额定工频的交流电，从而将事先加了励磁的 电机起动并加速到额定转速，然后将机组并入电力系统。这种方式对机组结构没有特殊 要求，起动过程对机组和电力系统没有冲击，工作比较可靠，为近年新建的大型抽水蓄 能电站广泛采用。 静止变频装置s f c 装置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。s f c 装置运行时， 从电网吸取基波电流的同时，还从电网中吸取谐波 电流。s f c 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。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 静止变频起动的典型接线中包括输入隔离变压器、交流输入电抗器、可控硅整流器、 可控硅逆变器、平波电抗器、交流输出电抗器等组成a 变频装置的主体部分是两个三相可控硅全控桥。正常工作状态下，电源侧的整流桥 工作于整流状态，将交流电流转换成直流电流，输入到直流缓冲回路。电机侧的整流桥 工作于逆变状态，将直流缓冲回路中的直流电流转换成三相交流电流，输入到电机的定 子绕组。 逆变器靠电机的端电压进行换流，此时变频装置的工作状态称作“自然换流”。但 在机组刚起动时，机端电压太低，不足以使逆变器换流，此时要使变频器工作在“强制 换流”状态，或叫做“脉冲换流”状态。此时要使接于电源侧的整流器输出间歇脉冲电 流，脉冲频率为电机电压频率的6 倍。 输入隔离变压器，使供电电网电压与可控硅端电压相匹配，同时也减少整流器产生 的谐波电压对供电电网的影响，并起到限制故障电流的作用，因此其短路阻抗一般取值 较高。此外，它还起到隔离的作用。因此变频器工作时，在其输入和输出端会出现较高 的直流电压差和3 倍工频的交流电压差，它们会经过变频器的电网侧和电机侧中性点接 地的变压器、电压互感器以及电机自身的中性接地点形成直流和交流的环流；同时设置 输入变压器，可以隔断直流通路。 交流输出电抗器，用于防止逆变器换流时电流增长太快而损坏可控硅元件，同时也 限制短路电流。 直流回路平波电抗器，用于抑制直流回路的纹波，以改善逆变器的工作条件，同时 起到降低故障电流的起始增长率的作用。 可控硅整流器和逆变器其作用如前所述。可控硅的触发方式一般采用光触发方式， 即通过光缆将光信号传送给可控硅组件上，经光电转换和放大后触发，这样可使高压的 可控硅主回路与触发的弱电回路隔离。 1 1 3 国内外抽水蓄能电站介绍 抽水蓄能电站在国外的起步较早，发展也很快。应用较多的国家像日本、美国、法 国、英国、意大利、伊拉克、葡萄牙、南非等。在近年来新建的抽水蓄能电站大多采用 静止变频起动方式。下面简单介绍几个采用静止变频方式起动的抽水蓄能电站的电气接 线图埘。 1 ) 迪诺威克( 英国d i n o r w i c ) 2 1 ： 位于英国北威尔斯，有6 台3 0 0 m w 可逆蓄能机组，总装机容量凶1 8 0 0 m w 。1 9 8 2 年第1 台机组投产，1 9 8 3 年全部投运。 水泵起动方式是静止变频起动方式为主，同步起动备用。设置了2 套静止变频起动 装置( s f c ) ，确保6 台机组在3 r a i n 内实现水泵起动，每台机组起动需要9 m i n 。 迪诺维克抽水蓄能电站电气接线简图见图1 1 5 。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 4 0 0 k v 网侧 5 0 0 k v 网侧 图1 1 5 迪诺威克电气接线简图 图1 1 6 奥美浓电气接线简图 2 ) 奥美浓( 日本) 蠲： 奥美浓抽水蓄能电站位于日本歧阜县境内。有4 台2 5 0 m y 可逆蓄能机组，总装机 容量为1 0 0 0 1 v l w ，1 9 8 9 年开工。水泵起动方式以静 止变频起动方式为主，4 台机组共用1 套静止变频起 动装置( s f c 。 奥美浓抽水蓄能电站电气接线简图见图1 1 - 6 。 3 ) 蒙特齐克( 法国) 【2 】： 蒙特齐克位于法国阿韦龙省，装设4 2 2 5 m w 蓄 能机组，总装机容量为9 0 0 m w 。1 9 7 6 年开工，1 9 8 2 年4 台机组投运。 s f c 电源取自任一变压器低压侧，也可起动任一 组机组。s f c 电压级别为1 8 k v ，容量为2 3 m w 。可 在1 0 m i n 内将机组起动起来，最快可在7 5 s 内完成。 2 0 r a i n 内把4 台机组由静止状态转为满载抽水运行。 s f c 装置连续工作时间允许3 l ( ) m i n 。 蒙特齐克抽水蓄能电站电气接线简图见图 1 - 1 - 7 。 4 ) 广蓄一期”： 广州抽水蓄能电站位于我国广东省从化县境内， i 期工程安装4 台单机容量为3 0 0 m w 水泵水轮机 发电电动机，总装机容量为1 2 0 0 m w 。静止变频起动 为主要起动方式，以一台机组发电同步拖动另一台被 起动机组抽水即背靠背起动为备用起动方式，4 台机 组共用一套静止变频装置。 4 0 0 k v 网l 侧 图1 1 7 蒙特奇克电气接线简图 5 0 0 k v 删 19 9 3 年3 月3 日首台机组开始转动调试，1 9 9 3m i l 一8 广蓄期电气接线简图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 年6 月2 9 日投入商业运行。5 0 0 k v 网侧分别引至增城变电站和佛山变电站。 广蓄一期抽水蓄能电站电气接线简图见图i - 8 。 广蓄一期4 台机组共用一套静止变频起动装置，这套s f c 装置，由法国g e c a l s t h o m 公司制造。整套装置主要包括输入( 降压) 变压器、整流器和逆变器、直流 平波电抗器、输出( 升压) 变压器等。电气主接线图见图1 - 1 - 9 。 输入电抗器 整流器 逆变器 18kv输7。-jprv、：i18l!li2；k；iv：，_；il露18椭出 14 ，y 1e m v? “a “ 降压变压器 升崖婴庄希 s f c 装置的容量应满足在4 m i n 内将机组从静止状态加速到同步转速所需的最大功 率要求，且能带动机组一起同期并网，然后退出运行。s f c 装置可以满足机组频繁起动 的要求，其最大热周期为6 0 m i n 运行，紧接6 0 m i n 静止。主要装置参数见表1 - 1 - 1 。 表1 - 1 - 1 ：s f c 装置参数 输入和输出额定电压额定功率阻抗电压 装 变压器 1 8 4 2 k v 5 2 7 m v a 1 4 置直流平波电感值 名电抗器 1 5 m h 称 可控硅 额定功率最大输出功率额定线电压 变频器2 7 m v a2 0 m w4 2 1 0 k v 在广蓄一期招标书技术条件中，谐波电流和电压畸变率的考察点为5 0 0 k v 高压侧。 因为5 0 0 k v 侧谐波电流和电压情况相对于低压侧而言比较理想，符合招标书技术条件， 所以在广蓄一期中没有附加滤波器设备。 5 ) 广蓄二期m 】： 广蓄二期紧靠一期工程，也装设4 3 0 0 m w 发电电动机组，起动方式以变频起动 为主，背靠背起动为辅。电站的基本隋况和主接线方式与广蓄一期类似。 广蓄二期4 台机组共用一套静止变频起动装置，这套s f c 装置，由德国西门子公 司供货。整套装置主要包括整流器和逆变器、交流限流电抗器、直流平波电抗器、交流 换向电抗器、断路器、滤波器及保护、冷却和测量系统。电气主接线图见图1 - 1 - 1 0 。 s f c 装置的容量应满足一台机组起动，从静止到额定转速，加速时间不大于4 m i n 。 输悭乎器 整流器 逆变器 1 8 焉涮j 磊k 酗1 8 嘞 隔离变压器平波电抗器 m u 冀y ”7 图1 - 1 - 1 0 广蓄期s f c 接线图 在广蓄= 期的招标书技术条件中，按照s d l 2 5 8 4 电力系统谐波管理暂行规定，s f c 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 运行时向1 8 k v 母线传递的各次谐波电流和引起1 8 k v 母线电压正弦波畸变率不应超过 表1 1 2 规定： 表1 1 - 2 ：谐波电流和电压限值 谐波谐波次数5 71 11 31 71 9 电流谐波电流( a )1 2 8 27 96 72 51 5 谐波电压畸变率奇次谐波电压含量偶次谐波电压含量 电压 4 3 1 3 8 1 1 5 14 5 3 2 0 3 4 芬兰 3 0 4 5 2 3 1 1 0 1 1 5 a s 2 2 7 9 奇次 4 澳大利亚 3 3 5 1 9 7 9 偶次2 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章谐波标准及在抽水蓄能电站中的应用 奇次 2 2 2 6 6 3 偶次 1 奇次 1 1 1 01 。5 偶次 0 5 奇次6正常值5 1 偶次 3最大值1 0 奇次 5正常值4 6 2 0 roct 偶次。 2 5最大值8 原苏联 一1 3 1 0 9 8 7 奇次 4 正常值3 3 5 偶次 2最大值6 奇次 2 正常值2 1 1 0 偶次 1 最大值4 5 次3 2 2 d i n 5 7 16 07 次1 5 v d e o 5 次2 原德国2 2 - 6 6 1 6 0 1 1 8 1 7 次1 5 次1 6 6 1 3 2 7 次1 奇次 4 新西兰1 9 8 16 65 偶次2 6 63 2 3 51 4 71 0 90 8 奇 1 1o 7 次 1 30 6 1 50 5 1 7 - 2 1 ( 奇) 0 4 2 3 - 4 9 ( 奇) 0 3 1 8 浙江大学硕士学位论文第二章谐波标准及在抽水蓄能电站中的应用 21 2 i 4o 6 偶 60 4 次 8 1 0 ( 偶) 0 3 12 5 0 ( 偶)0 2 低压电网高值8 国际大电网 ( 1 ) 低值5 会议第中压电网高值8 1 9 8 1 3 6 0 5 工作 ( 1 3 3 )低值5 组 高压电网高值3 ( 3 3 10 0 )低值1 5 高压与特高 日本通产省 6 65 压负荷谐波 资源能源厅 抑制对策指 公益事业部 6 6 2 7 53 针 分析表2 - 1 - 2 发现： 1 ) 原苏联标准规定的电压谐波畸变率有两个指标，即正常允许值和最大允许值。正常 允许值是在9 5 的时间中不得超过的限制值，最大允许值是指5 时间内不得超过 的限制值； 2 ) 英国、美国、瑞典、澳大利亚、新西兰和原苏联等国的标准对电压畸变率和各次谐 波的含有率均作出了规定。原西德标准只对5 次和7 次电压谐波做出了规定。 各国限制用户注入电网谐波电流，大体上有以下几种方法： a 对于大量小容量的谐波源，规定不经谐波核算即可接入电网的条件。如英国、德国、 澳大利亚标准。 b 规定一个用户注入电网的谐波电流允许值，同时附加一定的电网条件。 c 考虑了一级电网的谐波电压传递到本级电网的谐波电压后，将剩余的谐波电压作为 可分配给用户的指标，根据用户占接人该级电网的供电容量的份额，计算允许用户 注入电网的谐波电流。如国际大电网会议的建议和德国标准。 d 根据用户最大负荷电流与公共连接点的最大短路电流之比，确定用户注入电网的各 次谐波电流含有率的允许值。如美国标准，见表2 1 3 。 浙江大学硕士学位论文第二章谐波标准及在抽水蓄能电站中的应用 表2 1 - 3 ：美国2 4 6 9 k v 电网公共连接点谐波电流含有率限制值( ) j t m 谐波次数( 奇次)电流总谐 ， 1 11 1 1 71 7 h 2 32 3 h 1 0 0 01 5762 51 4 2 0 注：表中含有率均以最大基波负荷电流为基准。 偶次谐波为表列限制值的2 5 。 6 9 - 1 3 8k v 公共连接点谐波电流含有率限制值为表列限制值的5 0 以上限制谐波电流的方法中，第一种方法在各国标准中普遍采用。第二种方法因不 分用户的负荷大小的进行分配，显得不太公平而受到非议。第三、第四种方法雷同，按 用电负荷大小分配谐波指标的原则，得到国际上的认可。我国的谐波标准采用此原则。 2 1 2 我国国家谐波标准简介 国家谐波标准( 简称谐波国标) 是在总结执行原水电部电力系统谐波管理暂行规 定( s d l