石化企業低壓系統諧波治理實例

何志會(中海油氣泰州石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

由于電力電子裝置的廣泛應用，使得諧波問題引起人們越來越多的關注。變頻器是較為典型的電力電子裝置，變頻器在運行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流(或晶體管/逆變模塊)逆變；在其逆變過程中，輸入輸出回路便會產生高次諧波。特別是母線上有多個大功率變頻負載時，電源側的諧波往往較大，長期使用將影響供電電能質量，干擾電能計量，降低二次元器件工作的可靠性，甚至出現繼電保護裝置誤動作，造成停電損失。

1 負荷分析

某石化公司2#變電所為5 000 Nm3/h制氫裝置、100萬噸/年連續重整裝置、40萬噸/年芳烴抽提裝置、170萬噸/年燃料油加氫精制裝置公用。變電所由2路35 kV線路供電，所內2臺35/10.5 kV變壓器，額定容量16 000 kVA，日常單臺變壓器負荷率為45%。8臺10/0.4 kV變壓器，額定容量2 000 kVA。

低壓母線主要負載為空冷器、水泵、風機、油泵、照明等，隨著近幾年裝置的技措技改項目增多、母線上新增變頻控制電機也逐漸增多，8段低壓母線共有50臺變頻器，最大變頻器容量為185 kW。變頻回路投入使用后，繼電保護裝置、斷路器出現偶然性誤動作，晃電時系統失電概率較大，系統穩定性受到影響。排除低壓配電柜本身設備、元器件故障后分析，懷疑母線上諧波干擾較大，故對低壓母線進行諧波測量。

2 諧波測量

根據母線負荷情況，對8段低壓母線均進行了諧波檢測，檢測工具為FLUKE435,8段低壓母線諧波電壓畸變率最大為3.8%，諧波電流畸變率最大為21.54%，本文對諧波電流較大的AI，AII母線數據進行記錄分析，如表1和表2所示。

表1 2#變電所AI段諧波電流數據

表2 2#變電所AII段諧波電流數據

由下表可看出：負荷運行時產生的諧波主要以5次和7次最大，對比國標 GB/T 14549 《電能質量 公用電網諧波》標準，發現AI段、AII段母線各相的總諧波電流畸變率維持在15%以上，系統諧波較大，遠遠超出管制標準。在低壓AI段母線上現有11臺變頻器，AII段母線上現有10臺變頻器，最大變頻器功率為132 kW。

3 諧波治理方案

從上述的測試數據可以看出，系統的諧波含量比較高，其中5次、7次諧波電流已經超過國家標準(GB 14549—1993)允許的限值，按照相關規定必須進行治理。因母線已裝有低壓無功補償裝置，因此僅需考慮諧波的治理。

治理諧波污染問題的基本思路，一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這種適用于各種諧波源；另一條是對諧波源本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因素可控為1[1]。對于已投用項目，目前采用較多的是諧波補償裝置，諧波補償裝置又分為無源濾波和有源濾波，其中有源濾波器治理效果好，可同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，應用較為廣泛，但是價位相對高。結合現場測試數據和變電所內變頻器分布集中的特點，在0.4 kV母線安裝有源電力濾波器(Active Power Filter，下述APF)集中治理系統諧波較為合適。

4 方案分析

4.1 APF原理

APF是一種用于動態抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點。APF有并聯型和串聯型兩種，前者使用較為廣泛，并聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。

APF-有源濾波裝置采用直流電壓外環、交流電流內環的雙閉環控制，并采用空間矢量算法SVPWM對功率開關管進行驅動，達到無極平滑跟蹤濾波目的，實現諧波治理功能，既可以單次濾波也可以集總次濾波。APF有源濾波本質講是一個受控恒壓源，對系統阻抗影響很小，對各次目標諧波針對性治理同時可配置成混合有源濾波補償裝置，濾波與補償可同步進行，全響應時間短，輸出連續可調，一致性較好，是目前電能質量治理領域尤其諧波治理方面最佳選擇方案。

APF有源濾波裝置補償電流大小以諧波電流含量為參考基準，取A、B、C三相諧波含量最大值并增加一定裕量最終計算出補償電流大小。通過向系統中注入諧波畸變(該畸變等于非線性負載引起的畸變，但極性相反)，可將波形修正為正弦波[2]。

式(1)～(4)中：is為電源電流；iL為負載電流；iLf為負載電流的基波分量；iLh為負載電流的諧波分量；iC為補償電流。

根據諧波國家標準GB/T 14549—1993，諧波電流含量計算公式為[3]：

式中：IH為諧波電流含量；I1為基波電流；THDi為電流總諧波畸變率。

從測試的諧波電流數據可以看出，換算到0.4 kV系統的各次諧波電流合成值約為200 A。因此，低壓有源濾波裝置容量選擇200 A。

4.2 APF方案

諧波治理一次圖如圖1所示。治理的母線變壓器容量為2 000 kVA，電壓10/0.4 kV，三相四線制。該變壓器的主要負荷為不同功率的變頻器(驅動水泵、風機等)，負荷運行電流變化范圍：980～1008 A之間變化，負荷運行穩定。

圖1 諧波治理一次圖

4.3 安裝要求及補償效果

在I段母線，II段母線上均新增一面低壓柜，濾波容量200 A，低壓柜式與原低壓柜式保持一致(1 000×1 000×2 200 mm)，以銅排拼柜方式接入母線，接線方式為三相四線制，新增電流互感器3只，用于測量接入點和負載之間，以及該段0.4 kV母線總負載電流。在APF的容量范圍內，諧波電流補償率能達到90%以上。

5 諧波治理效果

在有源濾波裝置投運前2#變電所AI段總諧波畸變率THDi達到21.3%，波形畸變嚴重，裝置投運后電流波形得到較大的改善，電流諧波畸變率改善到6.7%，效果明顯。AII段電流諧波畸變率投運前為17.5%，裝置投運后諧波電流畸變率降低至5.8%，效果顯著。且兩端上的電壓畸變率也由2.2%降低至1.4%。

通過數據對比可以看出：有源濾波器投入后，系統電流畸變率明顯減小，已滿足國家標準范圍，諧波濾除率超過95%。

6 結語

通過投入有源濾波器后，一方面一定量的降低了線路功率損耗，有效降低系統因諧波帶來的溫升和損耗，降低電氣事故幾率，延長電氣設備使用壽命。另一方面可減少斷路器及繼電保護裝置的故障率和誤動率。濾除諧波可以解決系統暫態過電壓的問題，從而保護了斷路器和繼電保護裝置元器件不會因暫態過電壓為燒毀。提高整個繼電保護系統運行的穩定性和安全系數，從而提高全公司電力系統穩定性。