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摘要：本文从发电机变频起动入手，根据变频器输出的波形特点和发电机在变频器起动过程中的一些异常情况进行了详细分析，认为在起机过程会出现电压互感器会出现低频饱和铁磁谐振，针对异常情况所采取的一些措施对策和达到的效果，并在此基础上提出了发电机变频起动过程中值得关注的问题。
关键词：变频起动；谐波；分析；措施
Abstract: According to the output waveform of converter and abnormality during the frequency modulation starting of generator, this article finds there’re low frequency saturation and ferromagnetic resonance in voltage transformer. It introduces several measures and anticipative effects, it also presents several attention-gettin problems during the frequency modulation starting of generator.
Key words:Frequency Modulation Starting；harmonic wave；analyse；measure
引言：
随着我国电力事业的发展，目前国内逐步新建一些大型燃机电厂，而这些燃机电厂发电机的起动过程与燃煤、水轮发电厂等有显著不同，燃机电厂发电机的起动过程是变频起动。由变频器的结构和机理所决定，它本身就是一个谐波源，谐波会对电力系统产生一些危害，如谐振、产生附加损耗、影响电气设备正常工作（干扰）、使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差等。只有正确认识和分析谐波的特征，并针对不同的场合采取相应的对策措施，使之得到有效的抑制或消除，才能使与变频器有关或是受到影响的设备、系统得以正常运行。
1发电机变频起动过程相关简介：［1］
以下是以变频器采用交－直－交型燃气轮机组为例进行相关介绍：
1.1发电机变频起动相关主回路情况：
发电机起动过程是靠静止变频器（SFC）系统将燃气轮机和发电机转子加速到自持速度（自持速度也就是燃气轮机能够产生足够的动能带动它继续加速运行）。
燃气轮机起动时首先断开发电机出口断路器和发电机中性点接地柜。静止变频器（SFC）系统从6kV厂用系统上取电，SFC将恒定的电压和频率电源变换成电压和频率可变的电源，可变的电源施加于发电机定子线圈，使发电机在起动期间作为同步电动机运行。起动期间发电机转子电压还是由励磁系统通过从6KV厂用系统取得。
1.2发电机变频起动主要控制逻辑：
在燃气轮机和发电机转子加速到自持速度之前参与控制的两个重要系统为发电机励磁系统和SFC系统。这两个系统在起动过程中相互配合，相对应的就有两个重要的控制环节：一是励磁系统的手动恒流控制模式和自动恒压控制模式；二是SFC系统是脉冲运行方式（该过程中机组转速由0rpm上升到300rpm左右，约需时间27S左右）和SFC系统负载换流运行方式，SFC运行到燃机点火加速到2000r退出。整个过程约需时间1300S左右。在此期间，发电机出口1PT、2PT一次中性点直接接地，3PT一次中性点与地断开。
1.3发电机变频起动保护配置情况：
发电机变频起动过程中主要投入的发变组保护有：起停机定子接地保护、发电机低频过流保护、发电机过激磁保护、突加电压保护、发电机差动保护，定子匝间保护、定子不对称过负荷保护、定子对称过负荷保护、转子接地、PT断线、发电机定子过电压保护投入。
2发电机变频起动时波形分析：
2.1谐波的相关原理分析：［2］
谐波按次数分可分为奇次谐波（3、5、7……）和偶次谐波（2、4、6……），在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。如果忽略偶次谐波，按照对称三相制对谐波分析的相关理论，各次谐波分为正序对称组（基波、7、13、19次等）、负序对称组（5、11、17次等）、零序对称组（3、9、15次等），其中零序对称组的特点为谐波彼此同相（即3个相量，其有效值相等，且初相也相同）。
2.2发电机变频起动时谐波分析：
下图为发电机采用交－直－交型6脉冲控制的变频起动时的波形：
从上述波形图进行谐波分析可以看出：上述波形不是正弦波而是趋正弦波，电压波形中含有的谐波成分主要为3次谐波和6次谐波（这里所讲谐波是以50Hz正弦波为基础），电流波形中含有6次谐波为主，中性点电压不为零而等于零序组相电压。
2.3谐波的来源分析：［3］
由于发电机组起动时是采用的变频起动，从结构上来看，变频器有间接变频器和直接变频器之分。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器主电路为交-直-交，外部输入工频电源，经三相桥式可控整流成直流电压，经平波电抗器及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性原件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。
针对上述情况，后来通过一系列试验进行频谱分析，其分析结果为在变频器逆变侧没有超低频的5、7、11、13倍的特征谐波，而在整流侧输出有6脉动电流。
一般来讲偶次谐波不会在三相对称平衡系统中出现，奇次谐波的零序组（3、9次等）也不会出 现中性点直接接地系统中出现。但由于发电机在变频起动过程中中性点是断开的成为不接地系统，三相对称平衡关系被破坏，因此偶次谐波6次和零序组谐波3次会在系统中出现，这与各次谐波的特征表象一致。
3发电机变频起动时异常情况分析及对策：
3.1发电机变频起动过程异常情况：
由于发电机在变频起动过程中的变频器是一个谐波源，谐波将会对保护装置和PT的特性等产生一定的影响。如零序性质的谐波过大会使电压型的零序保护动作和在起机低频时使PT容易饱和，甚至有可能引起PT在低频饱和时的铁磁谐振。如某厂在发电机变频起动时曾因谐波原因引起多次“起停机定子接地保护”动作和在某些环境因素影响下发电机在低频时PT饱和而引起铁磁谐振损坏PT。起停机定子接地保护动作和PT损坏时的波形如下：
.起停机接地保护动作时电压电流波形全图：
PT损坏时波形全图：
3.2原因分析：
从发电机变频起动过程中“起停机定子接地保护”动作和PT损坏时的录波分析可以看出，这两种情况下的波形特征为：波形为谐波，其次数为6次，谐波幅值明显高于起机过程中所对应的正常值且两种异常情况下的谐波幅值不相等（如保护动作时峰值为8.32KV，PT损坏时峰值为5.42KV）。另外，从保护动作和PT损坏情况来看，两组发电机出口中性点直接接地的PT均发生上述两种异常情况。
发电机在变频起动过程中，由于按照相关设计要求，发电机中性点接地柜断开，在整个起动的动态过程中，发电机一次回路的三相对称平衡关系被破坏，有由于变频器产生的偶次（6次）谐波和零序组奇次谐波（3次）作用于整个系统，使得中性点电压漂移升高或谐振，严重情况下会引起“起停机定子接地保护”动作；另外，在低频情况下PT极易饱和，使得励磁感抗减小，如果受环境因素的影响，PT一次回路的电感和对地电容参数达到某种频率下的谐振参数会引起PT一次低频饱和谐振。根据对PT一次饱和谐振的分析得知，并联谐振时回路总电流不会发生变化而某些元件通过的电流会很大，这样由于谐振时电压互感器一次绕组通过相当大的电流，在一次熔断器尚未熔断时可能会使电压互感器发热而损坏［2］、［5］。从以上波形和相关原理分析结果可以得出，引起上述两种异常情况的根本原因为一次中性点直接接地的PT在低频饱和时铁磁谐振，引起谐振的谐波次数为6次（300HZ）。
3.3措施和对策：［4］
抑制或消除谐振的方法较多，就目前常用的消谐方法有六、七种，但不管在一次消谐还是二次消谐都会对整个系统的设计参数进行改变，从而有可能引起其它新的问题，如一次消谐会对发电机系统参数改变而给继电保护、运行方式和经济上带来很大影响。针对具体情况采取一套简单易行而又经济的抑制或消谐措施是非常必要的。
某厂在针对上述由谐振引起两种异常情况，进行了认真的分析研究，认为要消除PT低频饱和时的铁磁谐振必须从中性点直接接地的PT入手。由于发电机变频起动运行时间较短（1300S左右），在不改变正常运行方式和系统参数的情况下，只要在起机过程中破坏谐振条件或使系统中性点漂移电压得到有效控制即可。于是决定在PT一次直接接地中性点加装非线性电阻，破坏其谐振条件，借助于非线性电阻的非线性特性，使谐振根本无法稳定振荡于某一频率，使其自然脱离谐振状态［5］，并考虑非线性消谐电阻的容量和过热水平，为稳妥起见采用在两组中性点直接接地的PT中性点加装非线性电阻。具体方案有在两组中性点直接接地的PT中性点并接后加装1个非线性电阻接地（方案1）、两组中性点并接后加装两个非线性电阻后接地（方案2）和两组PT中性点分别各加装1个非线性电阻后接地（方案3）。经过多次试验分析，认为采用最后一种方案效果良好，即分别各加装1个非线性消谐电阻后在接地端并接接地，在发电机变频起动过程中投入非线性消谐电阻，变频器退出运行后非线性消谐电阻退出，上述两组PT恢复中性点直接接地运行方式。方案实施后经试验和运行经验证明，取得了良好的效果。具体情况见以下试验资料和波形分析。
加装非线性消谐电阻后发电机变频起动时的波形
从上述保护采样和波形分析情况看，在加装消谐电阻后，消除了谐振现象，大大的抑制了3U0的最大值和有效的控制了零序电压，使得保护在发电机变频起动过程中不会因为谐振而动作，使机组得以顺利起动。
4结论：
4.1某厂在发电机出口PT中性点加装一次消谐电阻抑制或消除谐波在发电机变频起动过程中的危害和影响的办法是行之有效的；
4.2很多消谐方法和措施均是考虑奇次谐波的影响，而很少考虑偶次谐波的影响，在发电机变频起动过程中由于其中性点断开，其对称关系被破坏，因此在相关消谐措施中不应忽略偶次谐波；
4.3发变组保护在配置和设计变频起动的发电机起停机保护时要充分考虑谐波对保护的影响，确保保护装置的可靠性。
参考文献：
[1]静止变频器技术说明书[M]
[2]电路 邱关源，第四版[M]
[3]电气变频调速设计技术 杜金诚[M]
[4]电力自动化设备专刊[J]
[5]中华电力网的相关论文[D]
论文作者:罗德庭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第8期
论文发表时间:2017/8/14
标签：谐波论文; 发电机论文; 谐振论文; 波形论文; 变频器论文; 过程中论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2017年第8期论文;