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中，大功率變頻器作為驅動壓縮機用電機的調速裝置，是天然氣管線中應用較為廣泛的設備。由于大功率變頻器相對來說容量較大，占壓氣站內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生的原因及其危害，通過對如何抑制諧波污染問題進行探討，在實際工程中得出有效的抑制方法。

關鍵詞：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 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0115-02

隨著國內的經濟發展，對天然氣的需求逐年增加，天然氣管線建設高速發展，在天然氣管線的壓氣站建設中，大功率變頻器作為驅動壓縮機用電機的調速裝置，是天然氣管線中應用較為廣泛的設備。由于大功率變頻器相對來說容量較大，占壓氣站內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動壓縮機的變頻器一般功率在10～18MW之間，近年來，采用變頻器進行壓縮機調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成為壓氣站電氣系統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，在運行過程中會產生高次諧波電流，從而對壓氣站的供電系統產生干擾。隨著變頻器技術和抑制變頻器諧波技術的發展，已經有多種抑制壓氣站內諧波的成熟方案可供選擇，但針對不同工程，仍有必要根據實際工況對變頻器諧波的影響和治理進行更深入的研究。

1 諧波的影響

天然氣管線壓氣站內電氣設備較多，作為天然氣輸送的關鍵站場，一旦發生故障，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備的正常運行的因素之一，在壓氣站建設中必須得到足夠的重視。

1.1 諧波對電網的影響

壓氣站內由于設置有大功率變頻器，需要從公共電網側取得電源來保證設備用電，雖然諧波電流與基波電流相比不大，但導線的集膚效應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，電暈的產生和電壓峰值有關，由于諧波的存在，其電壓峰值可能超過允許值而產生電暈，引起電暈損耗。諧波對電網的危害除造成線路損耗外，更重要的是使供電質量下降，嚴重時會導致導線過載過熱、絕緣損害，甚至引起火災。一旦發生事故，不僅會影響壓氣站的正常運行，還可能會對上級變電所的運行產生不利影響。

1.2 諧波對電動機的影響

壓氣站內變頻器通過同步電機對壓縮機進行調速，隨著頻率的增加，電動機的鐵芯和繞組中產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的機械振動。由于諧波造成變頻器的輸出波形失真，影響電動機的絕緣。壓氣站內采用的電動機放在壓縮機廠房內，為防爆電動機，電動機的絕緣一旦發生損害，存在巨大的事故風險。

1.3 諧波對變壓器的影響

諧波電流流入變壓器時，將會在變壓器內部產生附加損耗，從而引起過熱，使絕緣介質老化加速，導致絕緣損壞，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，一旦變壓器發生故障，其維修時間過長，將影響壓氣站的運行，并對上下游供氣均產生不利影響。

1.4 諧波對繼電保護和電力測量的影響

壓氣站內設置有變電站綜合自動化系統，對整個壓氣站內的電氣設備進行保護、數據采集、監控，諧波會改變保護繼電器的性能，對某些類型的繼電保護，如晶體管整流型距離保護、變壓器及母線復合電壓保護等，將受諧波的影響較大。

壓氣站內使用電氣系統常用電流表、電壓表、功率表等電子儀表對電氣設備進行監視、計量。變頻器諧波產生的電磁干擾對這些儀表的運行將產生不同程度的影響，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熱，諧波電壓與基波電壓峰值發生疊加，使得電容器介質更容易發生局部放電；當諧波產生時，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，甚至會損壞電力電容器。

1.6 諧波對通訊系統、電子設備的影響

壓氣站內通訊系統負責和公網調度、網絡系統之間的聯系，站內電子設備較多，變頻器產生的電磁干擾會使相位控制設備的控制信號及幅度發生畸變，導致電子計算機出現圖形畸變、亮度波動和元器件發熱問題、電子設備誤觸發、電子元件無法進行測試等，嚴重影響其正常工作。諧波產生的諧振可造成鎮流器或電容器的過熱損壞。同時諧波干擾會引起通訊線路、信息線路出現噪聲，降低通話的清晰度，嚴重時還會造成信號的丟失。

2 諧波的治理

壓氣站內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償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一種方法是采用本身產生諧波很小的變頻器，同時使其功率因數可控制為1。這兩種方法在天然氣壓氣站的電氣系統設計中需要根據項目的需求進行綜合考慮。

2.1 裝設LC調諧濾波器

傳統抑制諧波的方法是采用LC無源濾波器，這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，容易發生并聯諧振，導致諧波放大。經過實踐，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），其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。其補償性能不受電網阻抗的影響，在電力系統設計中得到廣泛應用。endprint

2.3 使用無諧波污染的變頻器

天然氣管線壓氣站內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。

電流源型變頻技術最先出現，其中間直流環節使用電感平波，一般使用半控器件可控硅來實現電源頻率變換，技術方案比較成熟，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，使電壓源型變頻技術進入快速發展階段，電壓源型變頻器的中間直流環節使用電容平波。從結構上分析，電壓源型變頻器由于脈沖數量較高，電平數也較多，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，系統效率和功率因數較高，雖然不能四象限運行，但壓氣站內壓縮機沒有四象限運行的工況。所以電壓源型變頻器成為目前天然氣管線壓氣站內選擇變頻器的主要技術方案，根據壓氣站內實際諧波限值要求，主要采用多脈沖整流、隔離變壓器耦合輸出、多電平、單元級聯等技術，針對仍無法滿足諧波限值要求的壓氣站，采用輸入側濾波器

和輸出側濾波器，使變頻器本體產生的諧波降低到最小。

目前在天然氣管線上應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次諧波進行治理，功率因數可以達到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5電平輸入，功率因數可以接近為1，由于其結構特點最大程度上避免了諧波的產生，所以在輸入側和輸出側均未設置濾波器，現場效果良好；國內廠家根據變頻技術的發展，結合天然氣管線用變頻器的工況需求，已經研制出可以明顯抑制和消除諧波并擁有自主知識產權的設備，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用，如上海廣電電氣集團研制的電壓源型完美無諧波變頻器和鞍山榮信集團研制的電壓源型H級橋變頻器，根據現場運行反饋，在西氣東輸二線東段的工業性試驗和運行階段，其抑制和消除諧波的功能顯著。

3 結語

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撲方案和器件布局外，還應在詳細設計階段就加強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方式等設計事項。同時在整個壓氣站的電氣設計中，還應結合變頻器的安裝場所、安裝方式、施工注意事項等一系列現場條件，只有綜合考慮抑制諧波的各種方案，才能確保壓氣站內設備的可靠運行。

參考文獻

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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：電氣設計。endprint