LNG接收站供電系統(tǒng)諧波分析及治理

中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司

供電系統(tǒng)作為LNG接收站的動力核心，其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行對于保障LNG接收站的安全生產(chǎn)具有重要作用。LNG接收站供電系統(tǒng)屬于一級負(fù)荷[1]，諧波作為供電質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，是衡量供電系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠的重要依據(jù)[2]。供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波不僅增加了供電系統(tǒng)無功損耗，而且干擾供電系統(tǒng)自動化保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，造成裝置的誤動與拒動，以及縮短電氣設(shè)備的使用壽命，干擾通信質(zhì)量，造成計(jì)量裝置誤差等，直接威脅供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

本文以青島LNG接收站供電系統(tǒng)作為平臺，通過對LNG接收站供電系統(tǒng)諧波數(shù)據(jù)分析，提出了諧波治理措施，提高了供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，從而保證LNG接收站供電系統(tǒng)的安全可靠性[3]。

1 供電系統(tǒng)概況

青島LNG接收站供電系統(tǒng)由1座110 kV變電站配出4座6 kV區(qū)域變配電室，110 kV系統(tǒng)主接線為單母線分段接線，2臺主變?nèi)萘繛?1.5 MVA，采用有載調(diào)壓，總變6 kV系統(tǒng)及配出的4座6 kV區(qū)域變配電室主接線均為單母線分段，分別為各生產(chǎn)區(qū)域負(fù)荷供電，負(fù)載以電動機(jī)、變壓器、變頻器為主。

LNG接收站總變電站GIS進(jìn)線處短路容量見表1。

表1 總變電站GIS進(jìn)線處最大、最小短路容量Tab.1 Maximum and minimum short-circuit capacity at GIS line of main substation

LNG接收站變電所配出以電動機(jī)、變壓器為主，無并網(wǎng)發(fā)電機(jī)，故最大運(yùn)行方式按可能發(fā)生最大短路電流的正常運(yùn)行方式，不按僅在切換過程中可能并列運(yùn)行的接線方式。按正常運(yùn)行方式考慮，最大運(yùn)行方式為系統(tǒng)最大短路電流時(shí)的正常運(yùn)行方式，最小運(yùn)行方式為系統(tǒng)最小短路電流時(shí)的正常運(yùn)行方式。

2 諧波對供電系統(tǒng)的影響

諧波主要是由于大容量整流或換流設(shè)備以及其他非線性負(fù)荷導(dǎo)致電流波形畸變造成的[4]。LNG接收站諧波源主要來自變頻器、電動機(jī)、泵、UPS等。

諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）諧波會增加發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備發(fā)熱，降低設(shè)備的效率和利用率及使用壽命。例如：諧波造成集膚效應(yīng)引起同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子表面局部過熱，降低使用壽命，磁滯、渦流等隨著頻率的增高使旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的鐵芯和繞組中的附加損耗增加；由于電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，會引起電纜局部放電、介損和溫升的增大，縮短電纜使用年限，輸電線路阻抗的頻率特性會使線路電阻隨著頻率的升高而增加，在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加，從而使電網(wǎng)損耗增大。

（2）影響電力計(jì)量的準(zhǔn)確性。電力計(jì)量裝置一般按50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波設(shè)計(jì)，若供電電壓或負(fù)荷電流中存在諧波，則會影響感應(yīng)式電能表的正常工作，增加電能計(jì)量表的誤差。例如：線性負(fù)荷用戶電能表的記錄為該用戶使用的基波電能加上諧波電能，計(jì)量數(shù)據(jù)偏大；非線性負(fù)荷用戶電能表的記錄為該用戶使用的基波電能減去諧波電能，計(jì)量數(shù)據(jù)偏小。

（3）影響繼電保護(hù)及自動化裝置的工作可靠性。當(dāng)供電系統(tǒng)中存在諧波時(shí)，由于諧波量和基波量疊加后超過設(shè)定的動作值就會使裝置誤動或拒動（通常按負(fù)序即基波量整定的保護(hù)裝置具有整定值小、靈敏度高的特點(diǎn)），引起事故或擴(kuò)大停電范圍，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）干擾通信系統(tǒng)正常工作。電力線路上流過的3、5、7等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)工作；此外電力系統(tǒng)中的諧波還會通過電磁感應(yīng)、電容耦合、電氣傳導(dǎo)等方式對通信造成干擾[5-6]。

3 諧波測試分析

3.1 諧波測試數(shù)據(jù)

本文選用HIOKI PW3198電力諧波分析儀監(jiān)測及記錄電力質(zhì)量，儀器的技術(shù)規(guī)范符合諧波國標(biāo)對諧波測試儀器的精度要求，可進(jìn)行功率因數(shù)測量，電壓突升、突降、閃變測量，諧波分析可到50次，高頻瞬態(tài)測量、檢測及波形顯示，以及4電流通道和3電壓通道測量。

測試點(diǎn)選取供電系統(tǒng)6 kVⅠ段、Ⅱ段出線側(cè)，1號、4號區(qū)域變電所4臺變壓器低壓0.4 kV出線側(cè)。

（1）測試一。

測試點(diǎn)：供電系統(tǒng)6 kVⅠ段出線側(cè)。

測試內(nèi)容：系統(tǒng)電壓、電流及電壓、電流諧波含量等。

測試時(shí)段截圖如圖1～圖3所示。

圖1 測試一電壓、電流波形圖Fig.1 Waveform of voltage and current in test 1

圖2 測試一電壓諧波2～50次清單Fig.2 Voltage harmonic 2-50 times list in test 1

圖3 測試一電流諧波2～50次清單Fig.3 Current harmonic 2-50 times list in test 1

（2）測試二。

測試點(diǎn)：供電系統(tǒng)6 kV Ⅱ段出線側(cè)。

測試內(nèi)容：系統(tǒng)電壓、電流及電壓、電流諧波含量等。

測試時(shí)段截圖如圖4～圖6所示。

圖4 測試二電壓、電流波形圖Fig.4 Waveform of voltage and current in test 2

圖5 測試二電壓諧波2～50次清單Fig.5 Voltage harmonic 2-50 times list in test 2

圖6 測試二電流諧波2～50次清單Fig.6 Current harmonic 2-50 times list in test 2

（3）測試三。

測試點(diǎn)：1號區(qū)域變電所1#變壓器低壓0.4 kV出線側(cè)（1 600 kVA）。

測試內(nèi)容：系統(tǒng)電壓、電流及電壓、電流諧波含量等。

測試時(shí)段截圖如圖7、圖8所示。

圖7 測試三電壓諧波2～50次清單Fig.7 Voltage harmonic 2-50 times list in test 3

圖8 測試三電流諧波2～50次清單Fig.8 Current harmonic 2-50 times list in test 3

（4）測試四。

測試點(diǎn)：4號區(qū)域變電所1#變壓器低壓0.4 kV出線側(cè)（1 250 kVA）。

測試內(nèi)容：系統(tǒng)電壓、電流及電壓、電流諧波含量等。

測試時(shí)段截圖如圖9、圖10所示。

圖9 測試四電壓諧波2～50次清單Fig.9 Voltage harmonic 2-50 times list in test 4

圖10 測試四電流諧波2～50次清單Fig.10 Current harmonic 2～50 times list in test 4

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 國標(biāo)諧波限值

（1）諧波電壓。國標(biāo)規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值如表2所示[7]。

表2 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值Tab.2 Limit value of harmonic voltage(phase voltage)for public power network

（2）諧波電流。國標(biāo)GB/T 14549—1993規(guī)定：當(dāng)6 kV電壓等級公共連接點(diǎn)的最小短路容量為基準(zhǔn)短路容量時(shí)，公共連接點(diǎn)上的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過表3中規(guī)定的允許值[7]。6 kV電壓等級基準(zhǔn)短路容量取100 MVA。

表3 注入10 kV公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值Tab.3 Allowable value of harmonic current injected into 10 kV common connection point

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)諧波限值

當(dāng)考核點(diǎn)的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，應(yīng)按照國標(biāo)GB/T 14549—1993附錄B進(jìn)行換算。

青島LNG接收站與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC）6 kV母線的最小短路容量為206.6 MVA，供電設(shè)備容量取150 MVA，協(xié)議容量為63 MVA。根據(jù)國標(biāo)GB/T 14549—1993計(jì)算得到青島LNG接收站并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)允許注入公共連接點(diǎn)的諧波電流限值如表4所示。

表4 注入6 kV公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值Tab.4 Allowable value of harmonic current injected into 6 kV common connection point

3.2.3 供電系統(tǒng)6 kVⅠ、Ⅱ段出線數(shù)據(jù)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中規(guī)定，對于隨機(jī)性、不規(guī)則性的電壓變動限值≤2.5%測試數(shù)據(jù)顯示電壓波動、閃變符合國標(biāo)要求[8]。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 14549—1993規(guī)定計(jì)算得出（與

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)諧波限值對比）供電系統(tǒng)6 kVⅠ、Ⅱ段出線電能諧波未超出國標(biāo)限值，符合國標(biāo)要求。

3.2.4 1號、4號區(qū)域變電所變壓器低壓側(cè)數(shù)據(jù)

測試時(shí)段電壓為391～402 V之間，測試時(shí)段電流為390 A左右；測試電壓波形呈正弦波，線條無尖刺，電流波型較差，呈馬鞍波，線條有尖刺。

1號區(qū)域變電所1#變壓器測試時(shí)段電壓諧波總畸變率為2.61%，電流諧波總畸變率為18.91%。

4號區(qū)域變電所1#變壓器測試時(shí)段電壓諧波總畸變率為1.71%，電流諧波總畸變率為6.01%。

4 諧波治理措施

供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，6 kV出線側(cè)電壓基本穩(wěn)定，無閃變、無電壓波動現(xiàn)象；運(yùn)行電流較平穩(wěn)，幅值較小。

低壓系統(tǒng)兩個配變低壓電壓基本正常，但電流波形較差。引起電流波形較差的原因是負(fù)載安裝了較多的變頻器。變頻器為整流逆變裝置，會大量產(chǎn)生特征為5次、7次的諧波，影響負(fù)載波形。

4.1 傳統(tǒng)無源濾波方案

傳統(tǒng)無源濾波即采用電容器+電抗器調(diào)諧濾波通道的方法，該方案存在以下問題：

（1）由于青島LNG接收站供電系統(tǒng)本身的初始功率因數(shù)較高，安裝無源濾波裝置在濾除諧波的同時(shí)將會對系統(tǒng)補(bǔ)償容性無功，導(dǎo)致系統(tǒng)處于過補(bǔ)償狀態(tài)。由于電網(wǎng)整體呈現(xiàn)感性，所補(bǔ)償?shù)淖儔浩鞒尸F(xiàn)容性，在參數(shù)匹配的情況下會產(chǎn)生LC串聯(lián)諧振，從而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

（2）由于無源濾波的特性為阻抗濾波，需要對系統(tǒng)中存在的每一次諧波配置一套電容和電抗器組，如果系統(tǒng)容量變化，某一濾波支路切除后將導(dǎo)致濾波效果明顯下降。

（3）由于供電系統(tǒng)中的諧波含量較高，且本身的功率因數(shù)也較高，為使系統(tǒng)不處于過載狀態(tài)，濾波支路的容量較??；而無源設(shè)備不能控制流入濾波支路的諧波電流的大小，容易使大量諧波疊加到基波電流上使濾波支路因過載而燒毀。

（4）由于無源濾波中電容元件容值會隨著使用時(shí)間而衰減，因此其濾波效果會隨著使用時(shí)間增加而變差，甚至隨著諧振點(diǎn)偏移可能會引起系統(tǒng)諧振，危害配電系統(tǒng)，燒毀設(shè)備，造成斷電事故。

因此，采用傳統(tǒng)無源濾波方案無法較好地達(dá)到濾除諧波的效果，還可能由于電容器容量衰減而發(fā)生諧振從而放大諧波電流，較大的諧波電流會加速電容器容量的衰減，使電容器絕緣破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤щ娙萜?。無源濾波依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并易受溫度漂移、諧波污染、濾波電容老化及非線性負(fù)荷變化等影響[9]。

4.2 采用有源濾波器的濾波方案

有源濾波器（APF）將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過檢測電網(wǎng)電流中整體諧波電流，并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或者發(fā)出與諧波電流相反的電流，從而達(dá)到濾除諧波的良好效果。

有源濾波器與傳統(tǒng)無源濾波設(shè)備的使用效果對比見表5。

表5 有源濾波器與無源濾波設(shè)備效果對比Tab.5 Comparison of active power filter and passive filtering devices

5 結(jié)束語

本文針對諧波對LNG接收站供電系統(tǒng)的危害進(jìn)行了研究，對供電系統(tǒng)中諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，找出了諧波產(chǎn)生的原因，提出了在低壓變頻器較多的配變下，通過安裝有源濾波器，解決了負(fù)載因諧波引起的電壓、電流閃變及導(dǎo)線過熱、繼電器不正當(dāng)保護(hù)等問題，有效地提高了供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，保障了接收站供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。