输油站场谐波治理探索

张永斌

对原油站场封闭电力系统的谐波电压和电流进行了分析研究，根据现场实际情况，提出了使用并联型有源电力滤波器来解决电网存在的问题。通过分析，有源电力滤波器在原油站场的谐波治理方面实用性较强，能实时准确地跟踪补偿谐波，从根本上提升输油站场的电能质量。

原油站场;变频器;谐波限值;有源电力滤波器

引言

某原油首站所在区域社会依托较差，缺少外界电源供给。自电力系统投用以来，站内精密电气设备频繁损坏，特别是给油泵投用以来站内闸阀利密托克电动执行机构电路板损坏情况较为严重。通过对电能质量进行分析，发现电网内存在谐波，严重影响站内设备设施的运行安全。

1 谐波治理的必要性

电力线路中谐波电流会在系统中各种电气设备（如电力电容器、输电线路、电机及相关用电设备）上造成附加铜损和铁损。可以把谐波源看作为产生谐波的发电机，其谐波能量是通过设备非线性基波的能量转换而来的。谐波电流是由非线性负荷产生，然后注入电网系统中，而消耗负荷及线路上的。通过安装无功补偿设备，可以有效降低相线电流值，从而达到节能的目的。同时，由于运用滤波设备后将供电系统中的谐波进行了滤除，减小相线上电流的有效值，使母线上的电流下降，提高发电机供电容量。

2 谐波的计算和分析

2.1 谐波限值的计算

根据国家标准GB/T14549-1993《电能质量——公用电网谐波》，各电压等级谐波电压限值如表1所示。

在基准短路容量10MVA下，注入0.4kV母线的各次谐波电流允许值如下表2所示：

当连接点的实际短路容量不同于规定的基准容量时，连接点的谐波电流允许值应按系统实际的最小短路容量进行换算，即

（1）

式中：——公共连接点的实际最小短路容量，MVA;

——基准短路容量，MVA;

——基准容量下的第h次谐波电流允许值，A;

——实际最小短路容量下的第h次谐波电流允许值，A。

这样可以得出公共连接点所有用户向配电系统注入的各次总谐波电流允许值，按照下式可算出同一公共连接点允许第i个用户注入的第h次谐波电流允许值为：

（2）

式中：——實际最小短路容量下的第h次谐波电流允许值，A;

——第i个用户的用电协议容量，MVA;

——公共连接点的供电设备，MVA;

——相位疊加系数，按表3取值。

谐波限值按照国标基准短路容量情况下规定的谐波限值。

2.2 测试数据分析

1）变频器功率测试

变频器有功功率总计246.2kW，无功功率总计98.6kvar，功率因数0.93，设备自然功率因数在0.9以上。

2）变频器谐波电流检测

单台变频器谐波电流畸变率33%左右，谐波电流含量较高。其中5次、7次、11次和13次为主要谐波。

3）变频器谐波电压分析

0.4kV谐波电压畸变率最大值6.2%左右，超过限值要求，其中5次、7次、11次和13次为主要谐波，与谐波电流频谱分布一致，由此可知，变频器产生的谐波电流是系统电压畸变率较高的主要原因。

3 方案设计

3.1容量计算

根据现场实际情况，从改善系统电力品质、保障设备安全和正常运行、综合提升设备运行效率和电力能源使用效率的目的出发，建议在变频器柜出线侧进行有源滤波。

总谐波电流计算如下：

（3）

三台变频器参数及运行工况基本一致，考虑到一定的裕度，建议单台有源滤波装置的容量为200A。滤波器投入使用后，可保证系统电压畸变率明显降低，满足国标要求。

3.2 滤波器简介

APF（Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。

APF的基本工作原理是：将IGBT变流器通过电抗器（或者变压器）并联在电网上，通过电流互感器检测负荷电流中的谐波分量、无功分量、不对称分量，控制IGBT变流器交流侧所输出的电流，使该变流器迅速吸收或者发出所需要的补偿电流，实现对电能质量进行治理的目的。

3.3 系统结构

APF有源电力滤波装置主要由以下几部分组成：进线断路器、IGBT变流器、直流电容器、滤波回路、控制保护单元及连接电抗器等。

进线断路器合闸后，APF首先通过预充电电阻对DC母线的电容充电，这个过程持续约8s，用以防止上电时对DC母线电容器的瞬间冲击。当母线电压达到额定之后，预充电接触器闭合。

直流电容作为储能元件，为通过IGBT变流器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。

APF通过外部CT采集电流信号送至谐波检测模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和监测模块。该模块将采集到的负载谐波成分和APF输出补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT变流器将补偿谐波电流注入电网中，实现滤除谐波的功能。

4 结论

综上所述，采用APF有源电力滤波装置能较好地滤除由大容量变频器所产生的谐波，在使用电驱输油泵机组的原油站场的应用尤其重要，有较强的实用性，从根本上能够提升封闭电网系统的电能质量。

参考文献

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006..