摘要：十三陵电厂变频器系统（SFC）主接线方式为高-高方式，其输入侧无隔离变压器，装有长期投入运行的5、7、11、13次单调谐滤波器组，其对串联电容值要求较严格，低负荷时的适应性差，抗失谐能力低。因此，本文提出将十三陵电厂变频器系统由6脉动整流设备改造为12脉动整流设备的方案，可降低变频器输入侧的谐波，提高变频器抽水启动成功率。
关键词：变频器系统；谐波；12脉动；厂用变压器；改造；启动成功率
The Renovation Plan and Advantages of the 12-Pulse Rectification Equipment of the Frequency Converter System in Shisanling Power Plant
Zhang Dongqing
（Beijing Shisanling Pumped Storage Power Plant，Changping District，Beijing 102200，China）
Abstract：The main wiring mode of frequency converter system（SFC）in Shisanling Power Plant is high-high mode. There is no isolation transformer on the input side and 5，7，11，13 single-tuned filter banks with long-term operation are equipped. Series capacitor values are stringent，poor adaptability at low loads，and low detuning resistance. Therefore，this paper proposes a scheme for transforming the frequency converter system of Shisanling Power Plant from 6-pulse rectifier equipment to 12-pulse rectifier equipment，which can reduce harmonics at the input side of the converter and increase the pumping start-up success rate of the converter.
Keywords：frequency converter system；harmonics；12 pulse；plant transformers；transformation；start-up success rate.
引言
十三陵电厂是京津唐电网最大的抽水蓄能电厂，机组起停速度快、负荷调节灵活，主要为首都电网提供可靠的调峰、填谷、调频、调相及紧急事故备用电源。再加上近几年华北电网风电、光伏电源的接入，抽水蓄能电厂消纳风电负荷，每天夜晚四台机组抽水运行，电网对蓄能电厂的削峰填谷需求更加凸显，十三陵电厂的重要性更加突出，对抽水启动的成功率提出了更高的要求。
在十三陵电厂20多年的运行中，变频器系统谐波滤波器组电容器曾发生过多次漏液现象，且均为5次、7次谐波电容故障，虽经过修补，但对变频器启动过程中输入侧电流、电源谐波测试，发现变频器启动过程中产生的谐波分量严重超标，滤波特性已达不到出厂时的效果，导致多次变频器输入开关合闸瞬间谐波过大造成变频器故障并造成机组启动失败。因此，如何降低变频器5次及7次谐波含量成为改造的重点。
1 变频器系统原设计描述
十三陵电厂抽水工况时的电动机启动方式分为静态变频（SFC）启动、背靠背启动。其中最常用的为静态变频（SFC）启动方式，静止变频启动具有启动力矩大、对电网的干扰小及可靠性和自动化程度高等特点。
全厂安装配置1套静止变频器（SFC），用于全厂4台机组抽水工况启动（抽水调相），静止变频器（SFC）由法国GE公司生产，额定容量为23.9MVA，输入电压10.5±10%kV，输出电压13.8±10% KV，输出频率范围0-52.5Hz。
静止变频器输入侧通过两个输入开关（AK03/AK04）分别与两台220kV厂用变压器低压侧相连，输出侧的输出开关（AJ20）通过启动开关柜与四台机组相连，静止变频器启动时，根据安装在每台机组大轴上的机械位置传感器或通过检测电机侧励磁电流初始磁通量确定转子位置，然后与机组励磁系统配合，通过改变输出的电流频率而改变发电机的转速，从而实现同步驱动。十三陵电厂变频器系统一次接线如图1所示。
十三陵电厂变频器系统运行至今近20多年，是全国少有的采用谐波滤波器组进行滤除谐波的抽水蓄能电厂，其输入侧安装有5、7、11、13次谐波滤波器组，输入输出侧分别安装有阻容过电压保护装置。相比目前大多数变频器系统输入输出侧均装设隔离变压器的抽水蓄能电厂而言，十三陵电厂变频器系统接线方式有其特殊性，需要多方面考虑变频器系统的稳定性。
图1 十三陵电厂变频器系统一次接线图
Fig.1 The wiring diagram of the frequency converter system in Shisanling Power Plant
2 谐波滤波分析
十三陵电厂变频器系统采用单调谐滤波器组实现谐波滤波，5、7、11、13次谐波滤波电容器组连接方式为：5次每相8个并联，7次每相4个并联，11、13次每相3个并联，共54个电容器，谐波滤波单线图如图2所示。此种谐波滤波器的优点是结构简单，对单一重要谐波的滤除能力强，损耗低，且维护要求低；主要缺点是低负荷时的适应性差，抗失谐能力低。
并且由于采用的电容器较多，随着时间的推移，电容器电容测量值虽然在合格范围内（不超出额定值的-3%～+5%），但很容易出现电容值上下浮动不一致，偏差较大，滤除谐波的性能变差，造成启动不成功。
图2 变频器系统谐波滤波器组单线图
Fig.2 One-line diagram of frequency converter harmonic filter bank
3改造方案
12脉动整流器是由两个6脉动整流器在直流侧串联而成，其交流侧绕组一个为星形接线，而另一个为三角形接线，从而使两个6脉动整流器的交流侧得到相位相差30。的换相电压。12脉动整流器可采用两组双绕组的变压器，也可以采用一组三绕组的变压器，其原理接线如图3和图4。
图4 12-6脉动整流单元内部原理接线图
Fig.4 Internal wiring diagram of 12-6 pulsating rectifier unit
十三陵电厂现厂高变联结组别为星三角型（YN，d11），因此需要对厂高变低压侧线圈进行联结组别改造，方可实现变频器整流柜由6脉动整流改造为12脉动整流。
3.1 方案一 对厂用变压器2200甲、2200乙进行更新改造，分别增加一组Y型绕组，在变频器整流柜侧增加一组6脉动整流桥。
图6 改造1台厂高变12-6脉动整流单元单线图
Fig.6 Single-line diagram of transformation of 12-6 pulse rectifier unit in 1 plant transformer
4 方案比较
方案一与方案二均需要对变频器系统输入侧增加一套6脉动整流柜，所以方案的选择主要从厂用变压器的改造方面考虑。
方案一需改造两台厂用变压器，投资较大，成本高，但变频器运行灵活，可靠性高，有一台厂用变压器检修或故障，变频器均可用投入使用。方案二改造一台厂用变压器，投资小，成本低，但变频器系统需要两台厂用变压器均正常工作方可使用，有一台厂用变压器检修或故障，变频器不能投入，大大限制了变频器的可靠性。
因此，通过上述抽水蓄能机组启动可靠性比较论证，十三陵电厂变频器系统12脉动整流设备改造宜优先选择最优的方案一作为项目改造实施方案。
5 改造后的优势
十三陵电厂变频器系统由6脉动整流改造为12脉动整流后，优点之一是直流电压质量好，所含的谐波成分少。其直流电压为两个换相电压相差30。的6脉动整流器的直流电压之和，在每个工频周期内有12个脉动数。直流电压中仅含有12k次的谐波，而每个6脉动整流器直流电压中的6（2k+1）次的谐波，因彼此的相位相反而相互抵消，在直流电压中则不再出现，因此有效地改善了直流侧的谐波性能。
另一个优点是其交流电流质量好，谐波成分少。大大降低了变频器输入侧谐波电流，由原来6k±1（其中k为正整数）次谐波降低为12k±1（其中k为正整数）次谐波。对于变频器系统所含低次谐波，主要是11次和13次，谐波幅值基本上随直流电流增加而增加，最大的谐波幅值出现在额定电流1320A附近。
其次，由于12脉动整流设备所含谐波次数变化，可切除输入侧5次、7次谐波滤波器组，减少了变频器系统谐波设备（包括6台电抗器和36台电容器）维护量，同时谐波滤波器组电容器漏液现象将不易发生，提高了变频器系统可靠性。
6 结论
十三陵电厂通过变频器系统12脉动整流设备更新改造将提高变频器功率单元性能，提高变频器健康运行水平，消除高次谐波对于变频器控制系统的影响引发的故障停机隐患，保障变频器启动成功率及电厂机组的安全稳定运行。
参考文献：
[1]PETERSSON T. Starting of large synchronous motor using static frequency converter[J]. IEEE TRANS PAS1972，（91）1：172-179.
[2]PENEDER F. Static equipment for starting Pumped-storage plant[J].Synchronous Condensers and Gas Turbine Sets.Brown Boveri Review. 1974，61（9/10）：440-447.
[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2011.
Zhao Yujun. HVDC Transmission Engineering Technology [M].Beijing：China Electric Power Press，2011.
[4]王建忠.静止变频器（SFC）原理及设备[J]. 水电厂自动化，2006，109（4）：198-201.
Wang Jianzhong. Principle and Equipment of Static Frequency Converter（SFC）[J]. Automation of Hydroelectric Power，2006，109（4）：198-201.
[5]胡雪琴.抽水蓄能电站静止变频起动装置应用情况总结与探索[J].水力发电，2007，05：51-54+85.
Hu Xueqin.Summarization and Exploration of Application of Static Variable Frequency Starter for Pumped Storage Power Stations[J]. Water Power，2007，05：51-54+85.
[6]郑飞.抽水蓄能电站静止变频器（SFC）起动关键问题[J]. 软启动器，2007，02：69-72+77.
ZHENG Fei.Key Problems on the Starting of Static Frequency Converter（SFC）in Pumped Storage Power Plant[J].Soft Starter，2007，02：69-72+77.
论文作者:张冬清
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第25期
论文发表时间:2019/6/25
标签：变频器论文; 谐波论文; 电厂论文; 系统论文; 滤波器论文; 变压器论文; 机组论文; 《建筑细部》2018年第25期论文;