基于ETAP的LNG接收站配電系統諧波分析與治理

董洪穩

海洋石油工程股份有限公司

近年來，清潔環保能源LNG（液化天然氣）的生產和貿易日趨活躍，LNG接收站得到大規模興建。LNG接收站工藝生產過程連續性強，自動控制程度高，突然中斷供電可能造成重大經濟損失。工程用電設備大部分定義為一級負荷及特別重要負荷，對電源可靠性及電能質量要求嚴格，UPS、EPS等應急電源得到廣泛應用，同時作為可控硅變流設備卻導致系統諧波污染問題突出，嚴重影響電能質量[1-3]。

諧波會引起配電系統波形畸變，產生過電壓或過電流，破壞同網設備絕緣，影響發電機正常運轉，觸發繼電保護裝置誤動作，干擾通信系統等危害，引發系統串聯或者并聯諧振，出現因諧波問題導致的電容器爆炸等事故[4-6]。因此，配電系統諧波必須得到抑制，采取有效的諧波分析方法和治理方案，確保LNG接收站連續運行和安全生產。

1 諧波限值參數

度量諧波限值的參數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，國標和國際標準都有相應的電能質量標準規范[9-10]，如GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014對諧波限值均有規定。在LNG接收站配電系統諧波分析時，按所依設計規范具體查詢。

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）從改進諧波源本身特性出發，針對UPS、EPS、變頻器等可控硅變流設備，可在其輸入端增加移相變壓器并提高整流器脈沖數，由6脈沖整流器變為12脈沖整流器。12脈沖整流器所產生的諧波以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，可適應更嚴格的應用環境[11]。12脈沖整流器單元由于結構及控制復雜致使采購成本增加，因此在工程中并不優先應用。整流變壓器接線方式采用Y/Δ、YO/Δ、YO/Y等亦可消除3次及其倍數次諧波。

（2）有源電力濾波器可檢測出配電系統中的諧波和無功功率等分量，通過PWM信號觸發內部IGBT，控制逆變器主動注入和配電系統諧波電流大小相等，相位相反的諧波電流，達到動態抑制諧波、補償無功及抑制電壓閃變的目的。由于應用安全系數較低，常以變壓器升壓與有源濾波器結合應用，價格相對較高。

（3）無源濾波器由RLC無源元件以串、并聯方式構成單調諧、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，對指定頻率諧波進行吸收達到治理目的；同時具有無功補償和電壓調整的作用，可完全解決系統中的諧波問題。其結構簡單，價位低，頻帶寬，在工程中廣泛應用。

3 基于ETAP軟件實例分析應用

3.1 實例系統建模

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急母線段進行實例分析。ETAP搭建配電系統模型如圖1所示，并進行潮流計算，查看負荷容量、電流、電壓等電量參數情況，為后面濾波器選型計算提供數據。

系統分為6.3 kV和0.4 kV兩個電壓等級，設備參數如下：發電機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低壓開關柜母線MCC-102工藝設備負荷共計562 kVA，用負荷組塊元件Lump102表示，UPS1至UPS3分別為60 kVA、60 kVA、35 kVA；MCC-103負荷共計73.8 kVA，用組塊元件Lump103表示，UPS4為35 kVA。

圖1 配電系統單線Fig.1 Single line of distribution system

3.2 諧波分析和濾波器選型

該系統中主要諧波源為低壓母線段的UPS，分析方法和步驟如下：

（1）首先設定各UPS諧波源。在UPS設備編輯器-harmonic屬性頁里提供了兩種諧波源輸入方式，可在數據庫里選擇典型模型或通過IEEE 519—2014公式根據設備參數計算，該工程采用后者。設備參數如圖2所示。可見，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）設定母線諧波限值。本工程依據美標設計，按IEEE 519—2014規定在各母線設備編輯器屬性頁中設定諧波限值，各等級電壓畸變限值列于表1。120 V至69 kV電壓范圍內，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為系統最大短路電流，IL為系統正常最大需量負荷電流基波分量，經短路分析模塊計算系統短路比小于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）運行諧波潮流計算。首先完成案例編輯器的設定，在諧波分析視窗下運行潮流計算，移動滑條觀察各次諧波參數，并應用繪圖工具繪制母線波形圖、頻譜圖，通過報警視窗和報告內容檢查各母線電壓總諧波畸變度是否在限值內。IEEE519—2014規范規定，0.4 kV對應限值為8.0%，6.3 kV對應限值為5.0%，可見均超過限值（表3）。電流總諧波畸變度均超過5.0%的規定（表4），各單次諧波均在限值范圍內未報警。

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）濾波器選型計算。ETAP軟件數據庫里提供了旁路、高通（帶阻尼）、高通（無阻尼）、單調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，應用單調濾波器進行諧波治理。以諧波源較多的MCC-102母排為例，從報告中查出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次諧波單調濾波器進行治理，若分析結果能滿足規范要求，則從降本角度考慮可不必添加其他次單調濾波器。

首先在濾波器設備編輯器屬性頁選擇單調濾波器類型，輸入品質因數30、相電壓0.23 kV等參數（圖3）。在濾波器容量估計編輯頁輸入諧波次數，5次諧波計算電流值36 A，并輸入功率因數現有值85%和目標值95%及單相負荷容量0.3 MVA，對濾波器容量進行計算（圖4）。計算結果為電容值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次諧波單調濾波器。

圖3 單調濾波器模型Fig.3 Model of monotonic filter

圖4 濾波器容量估計編輯頁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，再次運行諧波潮流計算，已無報警。在報告中查看配電系統總諧波畸變度均已降至限值內（表5、表6），滿足了IEEE 519—2014規范要求。

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 結論

LNG接收站的負荷等級決定了大量變流諧波源的使用，同時又對電能質量有嚴格要求，諧波分析、治理是工程配電系統設計研究的重點和難點。應用ETAP軟件便捷、精確地分析計算模塊，對LNG接收站工程實例進行諧波分析，提出了ETAP軟件諧波分析方法并詳細描述了濾波器選型的計算過程，所應用分析方法經濟、實用，治理效果顯著。這對解決LNG接收站配電系統波形畸變問題和提高電能質量有指導作用，對日益增加的LNG工程設計研究具有參考意義。