LNG接收站供电系统谐波分析及治理

中国石化青岛液化天然气有限责任公司

供电系统作为LNG接收站的动力核心，其安全、稳定、可靠运行对于保障LNG接收站的安全生产具有重要作用。LNG接收站供电系统属于一级负荷[1]，谐波作为供电质量的主要指标之一，是衡量供电系统运行安全可靠的重要依据[2]。供电系统中产生的谐波不仅增加了供电系统无功损耗，而且干扰供电系统自动化保护装置的正常运行，造成装置的误动与拒动，以及缩短电气设备的使用寿命，干扰通信质量，造成计量装置误差等，直接威胁供电系统的安全运行。

本文以青岛LNG接收站供电系统作为平台，通过对LNG接收站供电系统谐波数据分析，提出了谐波治理措施，提高了供电系统电能质量，从而保证LNG接收站供电系统的安全可靠性[3]。

1 供电系统概况

青岛LNG接收站供电系统由1座110 kV变电站配出4座6 kV区域变配电室，110 kV系统主接线为单母线分段接线，2台主变容量为31.5 MVA，采用有载调压，总变6 kV系统及配出的4座6 kV区域变配电室主接线均为单母线分段，分别为各生产区域负荷供电，负载以电动机、变压器、变频器为主。

LNG接收站总变电站GIS进线处短路容量见表1。

表1 总变电站GIS进线处最大、最小短路容量Tab.1 Maximum and minimum short-circuit capacity at GIS line of main substation

LNG接收站变电所配出以电动机、变压器为主，无并网发电机，故最大运行方式按可能发生最大短路电流的正常运行方式，不按仅在切换过程中可能并列运行的接线方式。按正常运行方式考虑，最大运行方式为系统最大短路电流时的正常运行方式，最小运行方式为系统最小短路电流时的正常运行方式。

2 谐波对供电系统的影响

谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其他非线性负荷导致电流波形畸变造成的[4]。LNG接收站谐波源主要来自变频器、电动机、泵、UPS等。

谐波的危害主要表现在以下几个方面：

（1）谐波会增加发电、输电、供电和用电设备的附加损耗，使设备发热，降低设备的效率和利用率及使用寿命。例如：谐波造成集肤效应引起同步电动机转子表面局部过热，降低使用寿命，磁滞、涡流等随着频率的增高使旋转电动机的铁芯和绕组中的附加损耗增加；由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会引起电缆局部放电、介损和温升的增大，缩短电缆使用年限，输电线路阻抗的频率特性会使线路电阻随着频率的升高而增加，在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加，从而使电网损耗增大。

（2）影响电力计量的准确性。电力计量装置一般按50 Hz的标准正弦波设计，若供电电压或负荷电流中存在谐波，则会影响感应式电能表的正常工作，增加电能计量表的误差。例如：线性负荷用户电能表的记录为该用户使用的基波电能加上谐波电能，计量数据偏大；非线性负荷用户电能表的记录为该用户使用的基波电能减去谐波电能，计量数据偏小。

（3）影响继电保护及自动化装置的工作可靠性。当供电系统中存在谐波时，由于谐波量和基波量叠加后超过设定的动作值就会使装置误动或拒动（通常按负序即基波量整定的保护装置具有整定值小、灵敏度高的特点），引起事故或扩大停电范围，严重影响供电系统的安全稳定运行。

（4）干扰通信系统正常工作。电力线路上流过的3、5、7等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统工作；此外电力系统中的谐波还会通过电磁感应、电容耦合、电气传导等方式对通信造成干扰[5-6]。

3 谐波测试分析

3.1 谐波测试数据

本文选用HIOKI PW3198电力谐波分析仪监测及记录电力质量，仪器的技术规范符合谐波国标对谐波测试仪器的精度要求，可进行功率因数测量，电压突升、突降、闪变测量，谐波分析可到50次，高频瞬态测量、检测及波形显示，以及4电流通道和3电压通道测量。

测试点选取供电系统6 kVⅠ段、Ⅱ段出线侧，1号、4号区域变电所4台变压器低压0.4 kV出线侧。

（1）测试一。

测试点：供电系统6 kVⅠ段出线侧。

测试内容：系统电压、电流及电压、电流谐波含量等。

测试时段截图如图1～图3所示。

图1 测试一电压、电流波形图Fig.1 Waveform of voltage and current in test 1

图2 测试一电压谐波2～50次清单Fig.2 Voltage harmonic 2-50 times list in test 1

图3 测试一电流谐波2～50次清单Fig.3 Current harmonic 2-50 times list in test 1

（2）测试二。

测试点：供电系统6 kV Ⅱ段出线侧。

测试内容：系统电压、电流及电压、电流谐波含量等。

测试时段截图如图4～图6所示。

图4 测试二电压、电流波形图Fig.4 Waveform of voltage and current in test 2

图5 测试二电压谐波2～50次清单Fig.5 Voltage harmonic 2-50 times list in test 2

图6 测试二电流谐波2～50次清单Fig.6 Current harmonic 2-50 times list in test 2

（3）测试三。

测试点：1号区域变电所1#变压器低压0.4 kV出线侧（1 600 kVA）。

测试内容：系统电压、电流及电压、电流谐波含量等。

测试时段截图如图7、图8所示。

图7 测试三电压谐波2～50次清单Fig.7 Voltage harmonic 2-50 times list in test 3

图8 测试三电流谐波2～50次清单Fig.8 Current harmonic 2-50 times list in test 3

（4）测试四。

测试点：4号区域变电所1#变压器低压0.4 kV出线侧（1 250 kVA）。

测试内容：系统电压、电流及电压、电流谐波含量等。

测试时段截图如图9、图10所示。

图9 测试四电压谐波2～50次清单Fig.9 Voltage harmonic 2-50 times list in test 4

图10 测试四电流谐波2～50次清单Fig.10 Current harmonic 2～50 times list in test 4

3.2 数据分析

3.2.1 国标谐波限值

（1）谐波电压。国标规定的公用电网谐波电压（相电压）限值如表2所示[7]。

表2 公用电网谐波电压（相电压）限值Tab.2 Limit value of harmonic voltage(phase voltage)for public power network

（2）谐波电流。国标GB/T 14549—1993规定：当6 kV电压等级公共连接点的最小短路容量为基准短路容量时，公共连接点上的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表3中规定的允许值[7]。6 kV电压等级基准短路容量取100 MVA。

表3 注入10 kV公共连接点的谐波电流允许值Tab.3 Allowable value of harmonic current injected into 10 kV common connection point

3.2.2 标准谐波限值

当考核点的最小短路容量不同于基准短路容量时，应按照国标GB/T 14549—1993附录B进行换算。

青岛LNG接收站与电网的公共连接点（PCC）6 kV母线的最小短路容量为206.6 MVA，供电设备容量取150 MVA，协议容量为63 MVA。根据国标GB/T 14549—1993计算得到青岛LNG接收站并网运行时允许注入公共连接点的谐波电流限值如表4所示。

表4 注入6 kV公共连接点的谐波电流允许值Tab.4 Allowable value of harmonic current injected into 6 kV common connection point

3.2.3 供电系统6 kVⅠ、Ⅱ段出线数据

国家标准GB 12326—2008《电能质量电压波动和闪变》中规定，对于随机性、不规则性的电压变动限值≤2.5%测试数据显示电压波动、闪变符合国标要求[8]。

根据国标GB/T 14549—1993规定计算得出（与

3.2.2 标准谐波限值对比）供电系统6 kVⅠ、Ⅱ段出线电能谐波未超出国标限值，符合国标要求。

3.2.4 1号、4号区域变电所变压器低压侧数据

测试时段电压为391～402 V之间，测试时段电流为390 A左右；测试电压波形呈正弦波，线条无尖刺，电流波型较差，呈马鞍波，线条有尖刺。

1号区域变电所1#变压器测试时段电压谐波总畸变率为2.61%，电流谐波总畸变率为18.91%。

4号区域变电所1#变压器测试时段电压谐波总畸变率为1.71%，电流谐波总畸变率为6.01%。

4 谐波治理措施

供电系统实际运行与现场实测数据显示，6 kV出线侧电压基本稳定，无闪变、无电压波动现象；运行电流较平稳，幅值较小。

低压系统两个配变低压电压基本正常，但电流波形较差。引起电流波形较差的原因是负载安装了较多的变频器。变频器为整流逆变装置，会大量产生特征为5次、7次的谐波，影响负载波形。

4.1 传统无源滤波方案

传统无源滤波即采用电容器+电抗器调谐滤波通道的方法，该方案存在以下问题：

（1）由于青岛LNG接收站供电系统本身的初始功率因数较高，安装无源滤波装置在滤除谐波的同时将会对系统补偿容性无功，导致系统处于过补偿状态。由于电网整体呈现感性，所补偿的变压器呈现容性，在参数匹配的情况下会产生LC串联谐振，从而导致设备损坏。

（2）由于无源滤波的特性为阻抗滤波，需要对系统中存在的每一次谐波配置一套电容和电抗器组，如果系统容量变化，某一滤波支路切除后将导致滤波效果明显下降。

（3）由于供电系统中的谐波含量较高，且本身的功率因数也较高，为使系统不处于过载状态，滤波支路的容量较小；而无源设备不能控制流入滤波支路的谐波电流的大小，容易使大量谐波叠加到基波电流上使滤波支路因过载而烧毁。

（4）由于无源滤波中电容元件容值会随着使用时间而衰减，因此其滤波效果会随着使用时间增加而变差，甚至随着谐振点偏移可能会引起系统谐振，危害配电系统，烧毁设备，造成断电事故。

因此，采用传统无源滤波方案无法较好地达到滤除谐波的效果，还可能由于电容器容量衰减而发生谐振从而放大谐波电流，较大的谐波电流会加速电容器容量的衰减，使电容器绝缘破坏，严重时甚至会烧毁电容器。无源滤波依赖于系统阻抗特性，并易受温度漂移、谐波污染、滤波电容老化及非线性负荷变化等影响[9]。

4.2 采用有源滤波器的滤波方案

有源滤波器（APF）将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，通过检测电网电流中整体谐波电流，并进行各次谐波和无功的分离，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出与谐波电流相反的电流，从而达到滤除谐波的良好效果。

有源滤波器与传统无源滤波设备的使用效果对比见表5。

表5 有源滤波器与无源滤波设备效果对比Tab.5 Comparison of active power filter and passive filtering devices

5 结束语

本文针对谐波对LNG接收站供电系统的危害进行了研究，对供电系统中谐波数据进行了深入分析，找出了谐波产生的原因，提出了在低压变频器较多的配变下，通过安装有源滤波器，解决了负载因谐波引起的电压、电流闪变及导线过热、继电器不正当保护等问题，有效地提高了供电系统电能质量，保障了接收站供电系统的安全稳定运行。