天然氣管線壓氣站變頻器諧波的影響和治理

林森　彭晶　張正陽　蘇展

摘要：在天然氣管線的壓氣站建設(shè)中，大功率變頻器作為驅(qū)動壓縮機(jī)用電機(jī)的調(diào)速裝置，是天然氣管線中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備。由于大功率變頻器相對來說容量較大，占壓氣站內(nèi)變壓器容量的比例較為顯著，對壓氣站的諧波污染問題已不容忽視。文章分析了天然氣管線壓氣站變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害，通過對如何抑制諧波污染問題進(jìn)行探討，在實際工程中得出有效的抑制方法。

關(guān)鍵詞：天然氣管線；壓氣站；變頻器；諧波治理；諧波污染

中圖分類號：TE978 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0115-02

隨著國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對天然氣的需求逐年增加，天然氣管線建設(shè)高速發(fā)展，在天然氣管線的壓氣站建設(shè)中，大功率變頻器作為驅(qū)動壓縮機(jī)用電機(jī)的調(diào)速裝置，是天然氣管線中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備。由于大功率變頻器相對來說容量較大，占壓氣站內(nèi)變壓器容量的比例較為顯著，對壓氣站的諧波污染問題已不容忽視。

天然氣管線壓氣站驅(qū)動壓縮機(jī)的變頻器一般功率在10～18MW之間，近年來，采用變頻器進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)速的壓氣站逐漸增多，以變頻器為代表的電力電子裝置已經(jīng)成為壓氣站電氣系統(tǒng)中最主要的諧波源之一。由于變頻器由大功率電力電子元器件組成，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生高次諧波電流，從而對壓氣站的供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。隨著變頻器技術(shù)和抑制變頻器諧波技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有多種抑制壓氣站內(nèi)諧波的成熟方案可供選擇，但針對不同工程，仍有必要根據(jù)實際工況對變頻器諧波的影響和治理進(jìn)行更深入的研究。

1 諧波的影響

天然氣管線壓氣站內(nèi)電氣設(shè)備較多，作為天然氣輸送的關(guān)鍵站場，一旦發(fā)生故障，將影響整個下游的天然氣輸送，而諧波污染作為影響壓氣站的外電電源及鄰近用電設(shè)備的正常運(yùn)行的因素之一，在壓氣站建設(shè)中必須得到足夠的重視。

1.1 諧波對電網(wǎng)的影響

壓氣站內(nèi)由于設(shè)置有大功率變頻器，需要從公共電網(wǎng)側(cè)取得電源來保證設(shè)備用電，雖然諧波電流與基波電流相比不大，但導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使諧波引起的附加線路損耗增大。對于采用電纜的輸電線路，諧波會加速電纜絕緣的老化，縮短了電纜的使用壽命。對于架空線而言，電暈的產(chǎn)生和電壓峰值有關(guān)，由于諧波的存在，其電壓峰值可能超過允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈損耗。諧波對電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，更重要的是使供電質(zhì)量下降，嚴(yán)重時會導(dǎo)致導(dǎo)線過載過熱、絕緣損害，甚至引起火災(zāi)。一旦發(fā)生事故，不僅會影響壓氣站的正常運(yùn)行，還可能會對上級變電所的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

1.2 諧波對電動機(jī)的影響

壓氣站內(nèi)變頻器通過同步電機(jī)對壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)速，隨著頻率的增加，電動機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗將隨之增加。同時，諧波電流的通過將引起電動機(jī)的機(jī)械振動。由于諧波造成變頻器的輸出波形失真，影響電動機(jī)的絕緣。壓氣站內(nèi)采用的電動機(jī)放在壓縮機(jī)廠房內(nèi)，為防爆電動機(jī)，電動機(jī)的絕緣一旦發(fā)生損害，存在巨大的事故風(fēng)險。

1.3 諧波對變壓器的影響

諧波電流流入變壓器時，將會在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞，并造成容量裕度減少，諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部溫度上升。壓氣站一般在人煙稀少地區(qū)，一旦變壓器發(fā)生故障，其維修時間過長，將影響壓氣站的運(yùn)行，并對上下游供氣均產(chǎn)生不利影響。

1.4 諧波對繼電保護(hù)和電力測量的影響

壓氣站內(nèi)設(shè)置有變電站綜合自動化系統(tǒng)，對整個壓氣站內(nèi)的電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，諧波會改變保護(hù)繼電器的性能，對某些類型的繼電保護(hù)，如晶體管整流型距離保護(hù)、變壓器及母線復(fù)合電壓保護(hù)等，將受諧波的影響較大。

壓氣站內(nèi)使用電氣系統(tǒng)常用電流表、電壓表、功率表等電子儀表對電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、計量。變頻器諧波產(chǎn)生的電磁干擾對這些儀表的運(yùn)行將產(chǎn)生不同程度的影響，降低其計量精度，諧波電流過大時可能燒毀儀表線圈。

1.5 諧波對電力電容器組的影響

并聯(lián)電容器的容性阻抗特性以及阻抗和頻率成反比的特性，使得電容器容易吸收諧波電流而引起過載發(fā)熱，諧波電壓與基波電壓峰值發(fā)生疊加，使得電容器介質(zhì)更容易發(fā)生局部放電；當(dāng)諧波產(chǎn)生時，電容器流入大量的電流，增加了局部放電的功率，而絕緣壽命與局部

放電功率成反比，諧波過大時，甚至?xí)p壞電力電容器。

1.6 諧波對通訊系統(tǒng)、電子設(shè)備的影響

壓氣站內(nèi)通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)和公網(wǎng)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，站內(nèi)電子設(shè)備較多，變頻器產(chǎn)生的電磁干擾會使相位控制設(shè)備的控制信號及幅度發(fā)生畸變，導(dǎo)致電子計算機(jī)出現(xiàn)圖形畸變、亮度波動和元器件發(fā)熱問題、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元件無法進(jìn)行測試等，嚴(yán)重影響其正常工作。諧波產(chǎn)生的諧振可造成鎮(zhèn)流器或電容器的過熱損壞。同時諧波干擾會引起通訊線路、信息線路出現(xiàn)噪聲，降低通話的清晰度，嚴(yán)重時還會造成信號的丟失。

2 諧波的治理

壓氣站內(nèi)解決變頻器諧波一般采用兩種方法：一種方法是配置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一種方法是采用本身產(chǎn)生諧波很小的變頻器，同時使其功率因數(shù)可控制為1。這兩種方法在天然氣壓氣站的電氣系統(tǒng)設(shè)計中需要根據(jù)項目的需求進(jìn)行綜合考慮。

2.1 裝設(shè)LC調(diào)諧濾波器

傳統(tǒng)抑制諧波的方法是采用LC無源濾波器，這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單。但這種方法的主要缺點是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，容易發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。經(jīng)過實踐，并不適合天然氣管線壓氣站使用。

2.2 有源電力濾波器（APF）

諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)阻抗的影響，在電力系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。endprint

2.3 使用無諧波污染的變頻器

天然氣管線壓氣站內(nèi)主要抑制諧波的方法是使用無諧波污染的電流源型變頻器和電壓源型變頻器。

電流源型變頻技術(shù)最先出現(xiàn)，其中間直流環(huán)節(jié)使用電感平波，一般使用半控器件可控硅來實現(xiàn)電源頻率變換，技術(shù)方案比較成熟，但諧波量大，需要龐大的濾波裝置，對電源條件要求很高。隨著大容量功率器件IEGT、IGCT的相繼出現(xiàn)，使電壓源型變頻技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，電壓源型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)使用電容平波。從結(jié)構(gòu)上分析，電壓源型變頻器由于脈沖數(shù)量較高，電平數(shù)也較多，故具有更好的輸入輸出波形，總諧波畸變THD<1%，同時由于沒有均壓問題，系統(tǒng)效率和功率因數(shù)較高，雖然不能四象限運(yùn)行，但壓氣站內(nèi)壓縮機(jī)沒有四象限運(yùn)行的工況。所以電壓源型變頻器成為目前天然氣管線壓氣站內(nèi)選擇變頻器的主要技術(shù)方案，根據(jù)壓氣站內(nèi)實際諧波限值要求，主要采用多脈沖整流、隔離變壓器耦合輸出、多電平、單元級聯(lián)等技術(shù)，針對仍無法滿足諧波限值要求的壓氣站，采用輸入側(cè)濾波器

和輸出側(cè)濾波器，使變頻器本體產(chǎn)生的諧波降低到最小。

目前在天然氣管線上應(yīng)用過的變頻器主要有：西氣東輸一線采用的電流源型變頻器，西門子公司制造，12脈沖整流方式。采用無源濾波裝置，主要對5、7、11次諧波進(jìn)行治理，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上；西氣東輸二線采用的電壓源型變頻器，日本東芝三菱公司制造，36脈沖整流方式，逆變側(cè)5電平輸入，功率因數(shù)可以接近為1，由于其結(jié)構(gòu)特點最大程度上避免了諧波的產(chǎn)生，所以在輸入側(cè)和輸出側(cè)均未設(shè)置濾波器，現(xiàn)場效果良好；國內(nèi)廠家根據(jù)變頻技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合天然氣管線用變頻器的工況需求，已經(jīng)研制出可以明顯抑制和消除諧波并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，并在西氣東輸二線東段和西氣東輸三線西段等項目上得到應(yīng)用，如上海廣電電氣集團(tuán)研制的電壓源型完美無諧波變頻器和鞍山榮信集團(tuán)研制的電壓源型H級橋變頻器，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行反饋，在西氣東輸二線東段的工業(yè)性試驗和運(yùn)行階段，其抑制和消除諧波的功能顯著。

3 結(jié)語

為了防止諧波干擾，天然氣管線壓氣站變頻器在使用過程中，除了在方案初期就合理選擇變頻器的拓?fù)浞桨负推骷季滞?，還應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計階段就加強(qiáng)對輸入輸出線路的隔離和配線方式、高壓電纜和地線的敷設(shè)方式等設(shè)計事項。同時在整個壓氣站的電氣設(shè)計中，還應(yīng)結(jié)合變頻器的安裝場所、安裝方式、施工注意事項等一系列現(xiàn)場條件，只有綜合考慮抑制諧波的各種方案，才能確保壓氣站內(nèi)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

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作者簡介：林森（1979-），男，中國石油天然氣管道工程有限公司工程師，研究生，研究方向：電氣設(shè)計。endprint