中國石化青島液化天然氣有限責任公司

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)屬于一級負荷[1]，諧波作為供電質(zhì)量的主要指標之一，是衡量供電系統(tǒng)運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)自動化保護裝置的正常運行，造成裝置的誤動與拒動，以及縮短電氣設備的使用壽命，干擾通信質(zhì)量，造成計量裝置誤差等，直接威脅供電系統(tǒng)的安全運行。

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)域負荷供電，負載以電動機、變壓器、變頻器為主。

LNG接收站總變電站GIS進線處短路容量見表1。

表1 總變電站GIS進線處最大、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、變壓器為主，無并網(wǎng)發(fā)電機，故最大運行方式按可能發(fā)生最大短路電流的正常運行方式，不按僅在切換過程中可能并列運行的接線方式。按正常運行方式考慮，最大運行方式為系統(tǒng)最大短路電流時的正常運行方式，最小運行方式為系統(tǒng)最小短路電流時的正常運行方式。

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備以及其他非線性負荷導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、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、供電和用電設備的附加損耗，使設備發(fā)熱，降低設備的效率和利用率及使用壽命。例如：諧波造成集膚效應引起同步電動機轉(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）影響電力計量的準確性。電力計量裝置一般按50 Hz的標準正弦波設計，若供電電壓或負荷電流中存在諧波，則會影響感應式電能表的正常工作，增加電能計量表的誤差。例如：線性負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，計量數(shù)據(jù)偏大；非線性負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，計量數(shù)據(jù)偏小。

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

（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、電容耦合、電氣傳導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)范符合諧波國標對諧波測試儀器的精度要求，可進行功率因數(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：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：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：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：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 國標諧波限值

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

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

3.2.2 標準諧波限值

當考核點的最小短路容量不同于基準短路容量時，應按照國標GB/T 14549—1993附錄B進行換算。

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

表4 注入6 kV公共連接點的諧波電流允許值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)

國家標準GB 12326—2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中規(guī)定，對于隨機性、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、閃變符合國標要求[8]。

根據(jù)國標GB/T 14549—1993規(guī)定計算得出（與

3.2.2 標準諧波限值對比）供電系統(tǒng)6 kVⅠ、Ⅱ段出線電能諧波未超出國標限值，符合國標要求。

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

測試時段電壓為391～402 V之間，測試時段電流為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)實際運行與現(xiàn)場實測數(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將會對系統(tǒng)補償容性無功，導致系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)。由于電網(wǎng)整體呈現(xiàn)感性，所補償?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，從而導致設備損壞。

（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間而衰減，因此其濾波效果會隨著使用時間增加而變差，甚至隨著諧振點偏移可能會引起系統(tǒng)諧振，危害配電系統(tǒng)，燒毀設備，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，嚴重時甚至會燒毀電容器。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，并進行各次諧波和無功的分離，適當調(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，從而達到濾除諧波的良好效果。

有源濾波器與傳統(tǒng)無源濾波設備的使用效果對比見表5。

表5 有源濾波器與無源濾波設備效果對比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)的危害進行了研究，對供電系統(tǒng)中諧波數(shù)據(jù)進行了深入分析，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，解決了負載因諧波引起的電壓、電流閃變及導線過熱、繼電器不正當保護等問題，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)定運行。