基于ETAP的LNG接收站配电系统谐波分析与治理

董洪稳

海洋石油工程股份有限公司

近年来，清洁环保能源LNG（液化天然气）的生产和贸易日趋活跃，LNG接收站得到大规模兴建。LNG接收站工艺生产过程连续性强，自动控制程度高，突然中断供电可能造成重大经济损失。工程用电设备大部分定义为一级负荷及特别重要负荷，对电源可靠性及电能质量要求严格，UPS、EPS等应急电源得到广泛应用，同时作为可控硅变流设备却导致系统谐波污染问题突出，严重影响电能质量[1-3]。

谐波会引起配电系统波形畸变，产生过电压或过电流，破坏同网设备绝缘，影响发电机正常运转，触发继电保护装置误动作，干扰通信系统等危害，引发系统串联或者并联谐振，出现因谐波问题导致的电容器爆炸等事故[4-6]。因此，配电系统谐波必须得到抑制，采取有效的谐波分析方法和治理方案，确保LNG接收站连续运行和安全生产。

1 谐波限值参数

度量谐波限值的参数主要有总谐波畸变率和谐波含有率[7-8]，其中，总谐波畸变率分为总电压畸变率(T HD)和总电流畸变率(T DD)，即

式中：Uh为第h次电压谐波有效值，kV；Urms为电压有效值，kV。

式中：Ih为第h次电流谐波有效值，A；Irms为电流有效值，A。

谐波含有率分为单次电压含有率(I H D)和单次电流含有率(I D D)，即

针对谐波畸变的影响，国标和国际标准都有相应的电能质量标准规范[9-10]，如GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014对谐波限值均有规定。在LNG接收站配电系统谐波分析时，按所依设计规范具体查询。

2 谐波治理的主要方法

谐波治理是谐波分析的核心问题，目前治理谐波的方法如下：

（1）从改进谐波源本身特性出发，针对UPS、EPS、变频器等可控硅变流设备，可在其输入端增加移相变压器并提高整流器脉冲数，由6脉冲整流器变为12脉冲整流器。12脉冲整流器所产生的谐波以11次为主，6脉冲整流器以5次谐波为主，谐波次数越高谐波含量越小，12脉冲整流器的谐波含量仅为6脉冲整流器谐波含量的1/3，可适应更严格的应用环境[11]。12脉冲整流器单元由于结构及控制复杂致使采购成本增加，因此在工程中并不优先应用。整流变压器接线方式采用Y/Δ、YO/Δ、YO/Y等亦可消除3次及其倍数次谐波。

（2）有源电力滤波器可检测出配电系统中的谐波和无功功率等分量，通过PWM信号触发内部IGBT，控制逆变器主动注入和配电系统谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流，达到动态抑制谐波、补偿无功及抑制电压闪变的目的。由于应用安全系数较低，常以变压器升压与有源滤波器结合应用，价格相对较高。

（3）无源滤波器由RLC无源元件以串、并联方式构成单调谐、高通或低通等滤波器，通过频域处理方法将非正弦周期量分解成傅立叶级数，对指定频率谐波进行吸收达到治理目的；同时具有无功补偿和电压调整的作用，可完全解决系统中的谐波问题。其结构简单，价位低，频带宽，在工程中广泛应用。

3 基于ETAP软件实例分析应用

3.1 实例系统建模

以南方某LNG接收站为例，利用ETAP软件的谐波分析模块对该工程应急母线段进行实例分析。ETAP搭建配电系统模型如图1所示，并进行潮流计算，查看负荷容量、电流、电压等电量参数情况，为后面滤波器选型计算提供数据。

系统分为6.3 kV和0.4 kV两个电压等级，设备参数如下：发电机Gen01容量为1 200 kW，6.3 kV；2台6.3/0.4 kV变压器TR01容量为1 000 kVA，TR02为200 kVA；0.4 kV低压开关柜母线MCC-102工艺设备负荷共计562 kVA，用负荷组块元件Lump102表示，UPS1至UPS3分别为60 kVA、60 kVA、35 kVA；MCC-103负荷共计73.8 kVA，用组块元件Lump103表示，UPS4为35 kVA。

图1 配电系统单线Fig.1 Single line of distribution system

3.2 谐波分析和滤波器选型

该系统中主要谐波源为低压母线段的UPS，分析方法和步骤如下：

（1）首先设定各UPS谐波源。在UPS设备编辑器-harmonic属性页里提供了两种谐波源输入方式，可在数据库里选择典型模型或通过IEEE 519—2014公式根据设备参数计算，该工程采用后者。设备参数如图2所示。可见，6脉冲整流器谐波源的波形，谐波分量柱形图显示以5次和7次谐波为主。

图2 编辑器谐波属性页Fig.2 Harmonic property page of editor

（2）设定母线谐波限值。本工程依据美标设计，按IEEE 519—2014规定在各母线设备编辑器属性页中设定谐波限值，各等级电压畸变限值列于表1。120 V至69 kV电压范围内，不同短路比情况下的电流畸变限值如表2所示，短路比中ISC为系统最大短路电流，IL为系统正常最大需量负荷电流基波分量，经短路分析模块计算系统短路比小于20。

表1 电压畸变限值Tab.1 Voltage distortion limit

表2 电流畸变限值Tab.2 Current distortion limit

（3）运行谐波潮流计算。首先完成案例编辑器的设定，在谐波分析视窗下运行潮流计算，移动滑条观察各次谐波参数，并应用绘图工具绘制母线波形图、频谱图，通过报警视窗和报告内容检查各母线电压总谐波畸变度是否在限值内。IEEE519—2014规范规定，0.4 kV对应限值为8.0%，6.3 kV对应限值为5.0%，可见均超过限值（表3）。电流总谐波畸变度均超过5.0%的规定（表4），各单次谐波均在限值范围内未报警。

表3 治理前母排电压畸变信息Tab.3 Busbar voltage distortion before treatment

表4 治理前母排电流畸变信息Tab.4 Busbar current distortion before treatment

（4）滤波器选型计算。ETAP软件数据库里提供了旁路、高通（带阻尼）、高通（无阻尼）、单调滤波等类型无源滤波器。针对以5次和7次谐波为主的6脉冲整流器谐波，应用单调滤波器进行谐波治理。以谐波源较多的MCC-102母排为例，从报告中查出5次和7次电压谐波含量分别为3.62%和3.25%，电流谐波含量分别为4.13%和2.65%。可先添加5次谐波单调滤波器进行治理，若分析结果能满足规范要求，则从降本角度考虑可不必添加其他次单调滤波器。

首先在滤波器设备编辑器属性页选择单调滤波器类型，输入品质因数30、相电压0.23 kV等参数（图3）。在滤波器容量估计编辑页输入谐波次数，5次谐波计算电流值36 A，并输入功率因数现有值85%和目标值95%及单相负荷容量0.3 MVA，对滤波器容量进行计算（图4）。计算结果为电容值74.22 kvar每相，电抗值为3 722 μF每相。按相同方法在MCC-103母排上添加5次谐波单调滤波器。

图3 单调滤波器模型Fig.3 Model of monotonic filter

图4 滤波器容量估计编辑页Fig.4 Editing page of filter capacity estimation

3.3 谐波治理前后对比

添加滤波器之后，再次运行谐波潮流计算，已无报警。在报告中查看配电系统总谐波畸变度均已降至限值内（表5、表6），满足了IEEE 519—2014规范要求。

表5 治理后母排电压畸变信息Tab.5 Busbar voltage distortion after treatment

表6 治理后母排电流畸变信息Tab.6 Busbar current distortion after treatment

以MCC-102为例，通过配置管理器切换，对比添加滤波器前后的母线波形图（图5），显示治理后波形更加平滑，谐波畸变度得到改善。同时，母排压降减小且功率因数提高至95%以上。

图5 MCC-102治理前后电压波形Fig.5 Waveform of MCC-102 before and after treatment

4 结论

LNG接收站的负荷等级决定了大量变流谐波源的使用，同时又对电能质量有严格要求，谐波分析、治理是工程配电系统设计研究的重点和难点。应用ETAP软件便捷、精确地分析计算模块，对LNG接收站工程实例进行谐波分析，提出了ETAP软件谐波分析方法并详细描述了滤波器选型的计算过程，所应用分析方法经济、实用，治理效果显著。这对解决LNG接收站配电系统波形畸变问题和提高电能质量有指导作用，对日益增加的LNG工程设计研究具有参考意义。