輸油站場諧波治理探索

張永斌

對原油站場封閉電力系統(tǒng)的諧波電壓和電流進行了分析研究，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，提出了使用并聯(lián)型有源電力濾波器來解決電網(wǎng)存在的問題。通過分析，有源電力濾波器在原油站場的諧波治理方面實用性較強，能實時準(zhǔn)確地跟蹤補償諧波，從根本上提升輸油站場的電能質(zhì)量。

原油站場;變頻器;諧波限值;有源電力濾波器

引言

某原油首站所在區(qū)域社會依托較差，缺少外界電源供給。自電力系統(tǒng)投用以來，站內(nèi)精密電氣設(shè)備頻繁損壞，特別是給油泵投用以來站內(nèi)閘閥利密托克電動執(zhí)行機構(gòu)電路板損壞情況較為嚴重。通過對電能質(zhì)量進行分析，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)存在諧波，嚴重影響站內(nèi)設(shè)備設(shè)施的運行安全。

1 諧波治理的必要性

電力線路中諧波電流會在系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備（如電力電容器、輸電線路、電機及相關(guān)用電設(shè)備）上造成附加銅損和鐵損?？梢园阎C波源看作為產(chǎn)生諧波的發(fā)電機，其諧波能量是通過設(shè)備非線性基波的能量轉(zhuǎn)換而來的。諧波電流是由非線性負荷產(chǎn)生，然后注入電網(wǎng)系統(tǒng)中，而消耗負荷及線路上的。通過安裝無功補償設(shè)備，可以有效降低相線電流值，從而達到節(jié)能的目的。同時，由于運用濾波設(shè)備后將供電系統(tǒng)中的諧波進行了濾除，減小相線上電流的有效值，使母線上的電流下降，提高發(fā)電機供電容量。

2 諧波的計算和分析

2.1 諧波限值的計算

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》，各電壓等級諧波電壓限值如表1所示。

在基準(zhǔn)短路容量10MVA下，注入0.4kV母線的各次諧波電流允許值如下表2所示：

當(dāng)連接點的實際短路容量不同于規(guī)定的基準(zhǔn)容量時，連接點的諧波電流允許值應(yīng)按系統(tǒng)實際的最小短路容量進行換算，即

（1）

式中：——公共連接點的實際最小短路容量，MVA;

——基準(zhǔn)短路容量，MVA;

——基準(zhǔn)容量下的第h次諧波電流允許值，A;

——實際最小短路容量下的第h次諧波電流允許值，A。

這樣可以得出公共連接點所有用戶向配電系統(tǒng)注入的各次總諧波電流允許值，按照下式可算出同一公共連接點允許第i個用戶注入的第h次諧波電流允許值為：

（2）

式中：——實際最小短路容量下的第h次諧波電流允許值，A;

——第i個用戶的用電協(xié)議容量，MVA;

——公共連接點的供電設(shè)備，MVA;

——相位疊加系數(shù)，按表3取值。

諧波限值按照國標(biāo)基準(zhǔn)短路容量情況下規(guī)定的諧波限值。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

1）變頻器功率測試

變頻器有功功率總計246.2kW，無功功率總計98.6kvar，功率因數(shù)0.93，設(shè)備自然功率因數(shù)在0.9以上。

2）變頻器諧波電流檢測

單臺變頻器諧波電流畸變率33%左右，諧波電流含量較高。其中5次、7次、11次和13次為主要諧波。

3）變頻器諧波電壓分析

0.4kV諧波電壓畸變率最大值6.2%左右，超過限值要求，其中5次、7次、11次和13次為主要諧波，與諧波電流頻譜分布一致，由此可知，變頻器產(chǎn)生的諧波電流是系統(tǒng)電壓畸變率較高的主要原因。

3 方案設(shè)計

3.1容量計算

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，從改善系統(tǒng)電力品質(zhì)、保障設(shè)備安全和正常運行、綜合提升設(shè)備運行效率和電力能源使用效率的目的出發(fā)，建議在變頻器柜出線側(cè)進行有源濾波。

總諧波電流計算如下：

（3）

三臺變頻器參數(shù)及運行工況基本一致，考慮到一定的裕度，建議單臺有源濾波裝置的容量為200A。濾波器投入使用后，可保證系統(tǒng)電壓畸變率明顯降低，滿足國標(biāo)要求。

3.2 濾波器簡介

APF（Active Power Filter）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置。

APF的基本工作原理是：將IGBT變流器通過電抗器（或者變壓器）并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過電流互感器檢測負荷電流中的諧波分量、無功分量、不對稱分量，控制IGBT變流器交流側(cè)所輸出的電流，使該變流器迅速吸收或者發(fā)出所需要的補償電流，實現(xiàn)對電能質(zhì)量進行治理的目的。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

APF有源電力濾波裝置主要由以下幾部分組成：進線斷路器、IGBT變流器、直流電容器、濾波回路、控制保護單元及連接電抗器等。

進線斷路器合閘后，APF首先通過預(yù)充電電阻對DC母線的電容充電，這個過程持續(xù)約8s，用以防止上電時對DC母線電容器的瞬間沖擊。當(dāng)母線電壓達到額定之后，預(yù)充電接觸器閉合。

直流電容作為儲能元件，為通過IGBT變流器和內(nèi)部電抗器向外輸出補償電流提供能量。

APF通過外部CT采集電流信號送至諧波檢測模塊，該模塊將基波成分分離，將諧波成分送至調(diào)節(jié)和監(jiān)測模塊。該模塊將采集到的負載諧波成分和APF輸出補償電流比較，得到差值作為實時補償信號輸出到驅(qū)動電路，觸發(fā)IGBT變流器將補償諧波電流注入電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能。

4 結(jié)論

綜上所述，采用APF有源電力濾波裝置能較好地濾除由大容量變頻器所產(chǎn)生的諧波，在使用電驅(qū)輸油泵機組的原油站場的應(yīng)用尤其重要，有較強的實用性，從根本上能夠提升封閉電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

參考文獻

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006..