LNG接收站供電系統諧波分析及治理

中國石化青島液化天然氣有限責任公司

供電系統作為LNG接收站的動力核心，其安全、穩定、可靠運行對于保障LNG接收站的安全生產具有重要作用。LNG接收站供電系統屬于一級負荷[1]，諧波作為供電質量的主要指標之一，是衡量供電系統運行安全可靠的重要依據[2]。供電系統中產生的諧波不僅增加了供電系統無功損耗，而且干擾供電系統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，干擾通信質量，造成計量裝置誤差等，直接威脅供電系統的安全運行。

本文以青島LNG接收站供電系統作為平臺，通過對LNG接收站供電系統諧波數據分析，提出了諧波治理措施，提高了供電系統電能質量，從而保證LNG接收站供電系統的安全可靠性[3]。

1 供電系統概況

青島LNG接收站供電系統由1座110 kV變電站配出4座6 kV區域變配電室，110 kV系統主接線為單母線分段接線，2臺主變容量為31.5 MVA，采用有載調壓，總變6 kV系統及配出的4座6 kV區域變配電室主接線均為單母線分段，分別為各生產區域負荷供電，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，無并網發電機，故最大運行方式按可能發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最大短路電流時的正常運行方式，最小運行方式為系統最小短路電流時的正常運行方式。

2 諧波對供電系統的影響

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在以下幾個方面：

（1）諧波會增加發電、輸電、供電和用電設備的附加損耗，使設備發熱，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，計量數據偏大；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，計量數據偏小。

（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，嚴重影響供電系統的安全穩定運行。

（4）干擾通信系統正常工作。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生干擾電壓，干擾通信系統工作；此外電力系統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 諧波測試數據

本文選用HIOKI PW3198電力諧波分析儀監測及記錄電力質量，儀器的技術規范符合諧波國標對諧波測試儀器的精度要求，可進行功率因數測量，電壓突升、突降、閃變測量，諧波分析可到50次，高頻瞬態測量、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6 kVⅠ段、Ⅱ段出線側，1號、4號區域變電所4臺變壓器低壓0.4 kV出線側。

（1）測試一。

測試點：供電系統6 kVⅠ段出線側。

測試內容：系統電壓、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6 kV Ⅱ段出線側。

測試內容：系統電壓、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號區域變電所1#變壓器低壓0.4 kV出線側（1 600 kVA）。

測試內容：系統電壓、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號區域變電所1#變壓器低壓0.4 kV出線側（1 250 kVA）。

測試內容：系統電壓、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 數據分析

3.2.1 國標諧波限值

（1）諧波電壓。國標規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值如表2所示[7]。

表2 公用電網諧波電壓（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，協議容量為63 MVA。根據國標GB/T 14549—1993計算得到青島LNG接收站并網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6 kVⅠ、Ⅱ段出線數據

國家標準GB 12326—2008《電能質量電壓波動和閃變》中規定，對于隨機性、不規則性的電壓變動限值≤2.5%測試數據顯示電壓波動、閃變符合國標要求[8]。

根據國標GB/T 14549—1993規定計算得出（與

3.2.2 標準諧波限值對比）供電系統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號區域變電所變壓器低壓側數據

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

供電系統實際運行與現場實測數據顯示，6 kV出線側電壓基本穩定，無閃變、無電壓波動現象；運行電流較平穩，幅值較小。

低壓系統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，會大量產生特征為5次、7次的諧波，影響負載波形。

4.1 傳統無源濾波方案

傳統無源濾波即采用電容器+電抗器調諧濾波通道的方法，該方案存在以下問題：

（1）由于青島LNG接收站供電系統本身的初始功率因數較高，安裝無源濾波裝置在濾除諧波的同時將會對系統補償容性無功，導致系統處于過補償狀態。由于電網整體呈現感性，所補償的變壓器呈現容性，在參數匹配的情況下會產生LC串聯諧振，從而導致設備損壞。

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

（3）由于供電系統中的諧波含量較高，且本身的功率因數也較高，為使系統不處于過載狀態，濾波支路的容量較小；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諧振，危害配電系統，燒毀設備，造成斷電事故。

因此，采用傳統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在電網上，通過檢測電網電流中整體諧波電流，并進行各次諧波和無功的分離，適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使該電路吸收或者發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 結束語

本文針對諧波對LNG接收站供電系統的危害進行了研究，對供電系統中諧波數據進行了深入分析，找出了諧波產生的原因，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電能質量，保障了接收站供電系統的安全穩定運行。