基于ETAP的LNG接收站配電系統(tǒng)諧波分析與治理

董洪穩(wěn)

海洋石油工程股份有限公司

近年來，清潔環(huán)保能源LNG（液化天然氣）的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG接收站得到大規(guī)模興建。LNG接收站工藝生產(chǎn)過程連續(xù)性強(qiáng)，自動控制程度高，突然中斷供電可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失。工程用電設(shè)備大部分定義為一級負(fù)荷及特別重要負(fù)荷，對電源可靠性及電能質(zhì)量要求嚴(yán)格，UPS、EPS等應(yīng)急電源得到廣泛應(yīng)用，同時作為可控硅變流設(shè)備卻導(dǎo)致系統(tǒng)諧波污染問題突出，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量[1-3]。

諧波會引起配電系統(tǒng)波形畸變，產(chǎn)生過電壓或過電流，破壞同網(wǎng)設(shè)備絕緣，影響發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，觸發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動作，干擾通信系統(tǒng)等危害，引發(fā)系統(tǒng)串聯(lián)或者并聯(lián)諧振，出現(xiàn)因諧波問題導(dǎo)致的電容器爆炸等事故[4-6]。因此，配電系統(tǒng)諧波必須得到抑制，采取有效的諧波分析方法和治理方案，確保LNG接收站連續(xù)運(yùn)行和安全生產(chǎn)。

1 諧波限值參數(shù)

度量諧波限值的參數(shù)主要有總諧波畸變率和諧波含有率[7-8]，其中，總諧波畸變率分為總電壓畸變率(T HD)和總電流畸變率(T DD)，即

式中：Uh為第h次電壓諧波有效值，kV；Urms為電壓有效值，kV。

式中：Ih為第h次電流諧波有效值，A；Irms為電流有效值，A。

諧波含有率分為單次電壓含有率(I H D)和單次電流含有率(I D D)，即

針對諧波畸變的影響，國標(biāo)和國際標(biāo)準(zhǔn)都有相應(yīng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[9-10]，如GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014對諧波限值均有規(guī)定。在LNG接收站配電系統(tǒng)諧波分析時，按所依設(shè)計(jì)規(guī)范具體查詢。

2 諧波治理的主要方法

諧波治理是諧波分析的核心問題，目前治理諧波的方法如下：

（1）從改進(jìn)諧波源本身特性出發(fā)，針對UPS、EPS、變頻器等可控硅變流設(shè)備，可在其輸入端增加移相變壓器并提高整流器脈沖數(shù)，由6脈沖整流器變?yōu)?2脈沖整流器。12脈沖整流器所產(chǎn)生的諧波以11次為主，6脈沖整流器以5次諧波為主，諧波次數(shù)越高諧波含量越小，12脈沖整流器的諧波含量僅為6脈沖整流器諧波含量的1/3，可適應(yīng)更嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境[11]。12脈沖整流器單元由于結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜致使采購成本增加，因此在工程中并不優(yōu)先應(yīng)用。整流變壓器接線方式采用Y/Δ、YO/Δ、YO/Y等亦可消除3次及其倍數(shù)次諧波。

（2）有源電力濾波器可檢測出配電系統(tǒng)中的諧波和無功功率等分量，通過PWM信號觸發(fā)內(nèi)部IGBT，控制逆變器主動注入和配電系統(tǒng)諧波電流大小相等，相位相反的諧波電流，達(dá)到動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功及抑制電壓閃變的目的。由于應(yīng)用安全系數(shù)較低，常以變壓器升壓與有源濾波器結(jié)合應(yīng)用，價格相對較高。

（3）無源濾波器由RLC無源元件以串、并聯(lián)方式構(gòu)成單調(diào)諧、高通或低通等濾波器，通過頻域處理方法將非正弦周期量分解成傅立葉級數(shù)，對指定頻率諧波進(jìn)行吸收達(dá)到治理目的；同時具有無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整的作用，可完全解決系統(tǒng)中的諧波問題。其結(jié)構(gòu)簡單，價位低，頻帶寬，在工程中廣泛應(yīng)用。

3 基于ETAP軟件實(shí)例分析應(yīng)用

3.1 實(shí)例系統(tǒng)建模

以南方某LNG接收站為例，利用ETAP軟件的諧波分析模塊對該工程應(yīng)急母線段進(jìn)行實(shí)例分析。ETAP搭建配電系統(tǒng)模型如圖1所示，并進(jìn)行潮流計(jì)算，查看負(fù)荷容量、電流、電壓等電量參數(shù)情況，為后面濾波器選型計(jì)算提供數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)分為6.3 kV和0.4 kV兩個電壓等級，設(shè)備參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)Gen01容量為1 200 kW，6.3 kV；2臺6.3/0.4 kV變壓器TR01容量為1 000 kVA，TR02為200 kVA；0.4 kV低壓開關(guān)柜母線MCC-102工藝設(shè)備負(fù)荷共計(jì)562 kVA，用負(fù)荷組塊元件Lump102表示，UPS1至UPS3分別為60 kVA、60 kVA、35 kVA；MCC-103負(fù)荷共計(jì)73.8 kVA，用組塊元件Lump103表示，UPS4為35 kVA。

圖1 配電系統(tǒng)單線Fig.1 Single line of distribution system

3.2 諧波分析和濾波器選型

該系統(tǒng)中主要諧波源為低壓母線段的UPS，分析方法和步驟如下：

（1）首先設(shè)定各UPS諧波源。在UPS設(shè)備編輯器-harmonic屬性頁里提供了兩種諧波源輸入方式，可在數(shù)據(jù)庫里選擇典型模型或通過IEEE 519—2014公式根據(jù)設(shè)備參數(shù)計(jì)算，該工程采用后者。設(shè)備參數(shù)如圖2所示?？梢?，6脈沖整流器諧波源的波形，諧波分量柱形圖顯示以5次和7次諧波為主。

圖2 編輯器諧波屬性頁Fig.2 Harmonic property page of editor

（2）設(shè)定母線諧波限值。本工程依據(jù)美標(biāo)設(shè)計(jì)，按IEEE 519—2014規(guī)定在各母線設(shè)備編輯器屬性頁中設(shè)定諧波限值，各等級電壓畸變限值列于表1。120 V至69 kV電壓范圍內(nèi)，不同短路比情況下的電流畸變限值如表2所示，短路比中ISC為系統(tǒng)最大短路電流，IL為系統(tǒng)正常最大需量負(fù)荷電流基波分量，經(jīng)短路分析模塊計(jì)算系統(tǒng)短路比小于20。

表1 電壓畸變限值Tab.1 Voltage distortion limit

表2 電流畸變限值Tab.2 Current distortion limit

（3）運(yùn)行諧波潮流計(jì)算。首先完成案例編輯器的設(shè)定，在諧波分析視窗下運(yùn)行潮流計(jì)算，移動滑條觀察各次諧波參數(shù)，并應(yīng)用繪圖工具繪制母線波形圖、頻譜圖，通過報(bào)警視窗和報(bào)告內(nèi)容檢查各母線電壓總諧波畸變度是否在限值內(nèi)。IEEE519—2014規(guī)范規(guī)定，0.4 kV對應(yīng)限值為8.0%，6.3 kV對應(yīng)限值為5.0%，可見均超過限值（表3）。電流總諧波畸變度均超過5.0%的規(guī)定（表4），各單次諧波均在限值范圍內(nèi)未報(bào)警。

表3 治理前母排電壓畸變信息Tab.3 Busbar voltage distortion before treatment

表4 治理前母排電流畸變信息Tab.4 Busbar current distortion before treatment

（4）濾波器選型計(jì)算。ETAP軟件數(shù)據(jù)庫里提供了旁路、高通（帶阻尼）、高通（無阻尼）、單調(diào)濾波等類型無源濾波器。針對以5次和7次諧波為主的6脈沖整流器諧波，應(yīng)用單調(diào)濾波器進(jìn)行諧波治理。以諧波源較多的MCC-102母排為例，從報(bào)告中查出5次和7次電壓諧波含量分別為3.62%和3.25%，電流諧波含量分別為4.13%和2.65%。可先添加5次諧波單調(diào)濾波器進(jìn)行治理，若分析結(jié)果能滿足規(guī)范要求，則從降本角度考慮可不必添加其他次單調(diào)濾波器。

首先在濾波器設(shè)備編輯器屬性頁選擇單調(diào)濾波器類型，輸入品質(zhì)因數(shù)30、相電壓0.23 kV等參數(shù)（圖3）。在濾波器容量估計(jì)編輯頁輸入諧波次數(shù)，5次諧波計(jì)算電流值36 A，并輸入功率因數(shù)現(xiàn)有值85%和目標(biāo)值95%及單相負(fù)荷容量0.3 MVA，對濾波器容量進(jìn)行計(jì)算（圖4）。計(jì)算結(jié)果為電容值74.22 kvar每相，電抗值為3 722 μF每相。按相同方法在MCC-103母排上添加5次諧波單調(diào)濾波器。

圖3 單調(diào)濾波器模型Fig.3 Model of monotonic filter

圖4 濾波器容量估計(jì)編輯頁Fig.4 Editing page of filter capacity estimation

3.3 諧波治理前后對比

添加濾波器之后，再次運(yùn)行諧波潮流計(jì)算，已無報(bào)警。在報(bào)告中查看配電系統(tǒng)總諧波畸變度均已降至限值內(nèi)（表5、表6），滿足了IEEE 519—2014規(guī)范要求。

表5 治理后母排電壓畸變信息Tab.5 Busbar voltage distortion after treatment

表6 治理后母排電流畸變信息Tab.6 Busbar current distortion after treatment

以MCC-102為例，通過配置管理器切換，對比添加濾波器前后的母線波形圖（圖5），顯示治理后波形更加平滑，諧波畸變度得到改善。同時，母排壓降減小且功率因數(shù)提高至95%以上。

圖5 MCC-102治理前后電壓波形Fig.5 Waveform of MCC-102 before and after treatment

4 結(jié)論

LNG接收站的負(fù)荷等級決定了大量變流諧波源的使用，同時又對電能質(zhì)量有嚴(yán)格要求，諧波分析、治理是工程配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。應(yīng)用ETAP軟件便捷、精確地分析計(jì)算模塊，對LNG接收站工程實(shí)例進(jìn)行諧波分析，提出了ETAP軟件諧波分析方法并詳細(xì)描述了濾波器選型的計(jì)算過程，所應(yīng)用分析方法經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，治理效果顯著。這對解決LNG接收站配電系統(tǒng)波形畸變問題和提高電能質(zhì)量有指導(dǎo)作用，對日益增加的LNG工程設(shè)計(jì)研究具有參考意義。