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摘要：谐波对天然气液化设备的危害应得到更多的关注，谐波的预防、检测、控制与消除技术是确保液化工艺正常运行的重要安全防护措施，本论文结合液化的非线性设备运行的实践和经验，介绍了谐波的产生机理，简明解析了液化设备谐波抑制的方法，便于后续设计及技改可有效地抑制谐波，提高设备的功率因数，保障天然气液化生产的运行安全。
关键词：非线性负荷；谐波；检测；抑制
1引言
天然气的深冷液化工艺具有“高难度”、“高工艺”、“高技术”的三高要求，由于近年来国内外天然气深冷液化设备随着全球能源经济的高速发展的利好形势，使得液化天然气的应用得到了全面的认可，也成为未来清洁能源发展的新方向；同时，新型电子技术和高端机械加工工艺的快速发展极大的促进了天然气液化及辅助设备的研发和生产能力的井喷，一方面定型的高端天然气液化设备的供电系统、终端负载对电能的要求既要有高质量的纯净度，还要有高品质因数的要求；另一方面由于各种复杂类型的感性、非线性电力电子设备及大容量负荷启动频繁的电子设备的应用产生的非线性干扰，导致液化设备供电系统中电源信号和控制信号严重失真畸变，并且高次谐波聚积放大，谐波电流量的增加严重影响整个天然气液化系统的供电风险、电能浪费及用电设备的效率和寿命，谐波已成为液化系统正常平稳安全运行的重大隐形“污染源”，谐波的分析、检测及抑制对天气的液化生产安全运行提出新的严峻挑战。
2谐波产生机理
在理论上供电系统提供给用电终端设备的电流i（t）=和电压u（t）=是理想的正弦信号，在只有线性元件电阻（R）、电感（L）、
图1 基波及N倍谐波示意图
电容（C）的电路中激励的正弦信号和响应的正弦信号是正弦线性的比例（P）、积分（I）微分（D）关系。而在实际供电系统中，激励的正弦信号通过天然气液化设备的非线性负荷输出的是非线性畸变正弦信号，即所加载的电压与产生的电流成非比例（正比）关系，而造成的频率为基波频率整数倍的正弦波分量，既有谐波信号产生，如图1所示的基波、N倍谐波示意图，当向天然气非线性设备供电的过程中，供电系统所供给基波能量的同时，信号的波形具有与电源频率相同的正弦波波形，而这种N倍基波频率的正弦波（高倍谐波成分）分量称为电源谐波。
3谐波对电气设备的危害
经过“ 四级预处理”的纯净天然气通过换热器冷能循环深冷液化形成常压低温（-162℃）液体，天然气的液化工艺及辅助单元存在大量的非线性负载，必然使得整个天然气的液化过程受到严重的谐波影响，从实际运用的设备电器角度来分析，主要影响表现在以下方面：
（1）、液化设备的电机和变压器受谐波的影响滋生铁损、铜损、震动、磁损、涡流及发热现象，不管是低次谐波还是高次谐波都会使负载逐级温升，不仅会缩短设备的使用寿命，同时，降低设备绝缘等级的强度；其次是产生共振并发出超出设计标准的震动噪声分贝值，若长时间的振动会破坏金属机理和损坏机械部件；谐波还会使电压及电流工作在征临界状态，液化设备的运行处于非安全区域。
（2）、谐波的自放大是外来谐波激励谐波源而产生，其在谐振临近点附近谐波的频率与电感、电阻同频共振产生谐振。当引起系统产生谐振时，谐波电压将不断升高，谐波电流瞬间激增，尤其在一些衰减时间较长的暂态过程中会影响继电保护的误操作或拒动，必将严重影响整个天然气液化生产的安全性。
（3）、谐波的集肤效益，肤效应交流电流流动会集于导体（导线、母排、互感器）的裸露表面，在高频状态集肤效应非常活跃，而集肤效应在电网频率（50hz）下的影响可近似忽略，但是大约300Hz以上（即大于七倍谐波）时，集肤效应导致额外损耗和导体外表面温度升高会使负载因温度过高起火燃烧、发生短路紧急停车，甚至断路器燃烧或爆炸。
（4）、谐波瞬时信号的突变将影响到整个天然气液化的DCS、SIS、ESD及FGS的信号畸变失真，造成生产工艺联锁的误动反应，使得整个生产的正常通讯紊乱，严重的破坏液化的安全生产逻辑时序。
4.谐波的检测
谐波信号检测的实时性和检测精度直接影响滤波质量和控制水平。谐波的监测依据国家标准的规定依原理检测的基本方法有：
（1）、模拟滤波器频域分析法。是谐波的原始检测分析方法，通常分析有两种；①通过滤波器滤除基波电流分量，然后再检测出高倍谐波电流分量；②用带通滤波器测得基波分量，然后再与被检测电流相减，最后得到谐波电流分量[1]。以上两种方法的使用是由于检测原理和电路结构易简单实现，其最大特点是可以滤除特定的谐波频率，但也存在检测误差大、实时同步性差，受外界环境变数较大的缺点，检测的采样信号参数瞬态变化时检测的效果明显存在较大误差。
（2）、快速傅立叶（FFT）算法检测。其利用快捷、高效的离散傅里叶变换（DFT）快速准确的对信号进行分解变换，在变换后的谐波信号中滤去基波频率分量，对残余的高倍谐波分量进行逆变换，可得谐波电流的时域信号。
（3）、傅立叶级数的优化法。基波的电流分量通过傅立叶变换得到，负载电流与基波电流分量相减，通过优化主傅立叶级数方程的数学模型，得到优化的回归方程，在单个采样子周期测得的正余弦系数采用不同的循环时序存储，新值与旧值重叠覆盖，正、余弦部分的总和也同步地被刷新得到谐波电流信号[2]。
（4）、FBD检测法。其方法为等效近似模拟法，用理想化的模拟电导等效电路中的真实负载，由等值模拟电导消耗电路中的所有实际功率，忽略其他额外的能量损失。从等值电导对电流的分解，得出需要补偿的谐波电流分量[3]。
（5）、瞬时无功功率法。其利用三相和两相的互逆变换，将三相信号（电压、电流）变换为两相正交信号，测出瞬时的功率（有功、无功）；然后通过低通滤波得到直流分量，再经变换得到两相基波电流，最后通过两相至三相反变换后，便得到基波电流，将总电流与基波电流相减得到谐波电流信号[4]。
5.谐波的控制及消除
谐波控制是天然气的非线性液化设备安全可靠稳定运行的基本措施，谐波的治理可以从两个方面实施；从谐波源自身机理抑制谐波的产生为谐波激励治理；通过外设谐波消除装置来实现谐波消除的治理为谐波响应治理。
5.1谐波激励治理
（1）：脉宽调制技术（Pulse Width Modulation），将一个固定的脉冲频率时序序列作为标准基频，通过调整脉冲序列串的占空比来实现不同的模拟电平输出，通过PWM谐波激励治理后会使得整流器输出的谐波倍数级明显降低、谐波的频率变高，产生的基本输入波形近似最优化的正弦波，脉宽调制整流器可以降低整流负载输入电网的谐波量，同时提高了网侧功率因数值。
（2）：优化换流装置的脉冲数或相数。利用优化变流装置或换流变压器，通常采用多脉冲整流技术，有效的减小谐波含量；此外，增加换流装置的相数，在交流侧产生的特征谐波：p k±1；在直流侧产生的特征谐波：pk±1（p为整流相数或脉动数，k为正整数），当脉动数由p=6增加到p=12时，可有效降低低次谐波电流的有效值[5]。
（3）：高功率因数变流器。采用多组叠加技术，将几个变流器组合使用，用多重组合叠加使多个方波叠加，彼此消除低频次谐波，得到近似正弦波的阶梯波，减少谐波的产生。
5.2谐波响应治理
（1）：无源滤波器（Passive Power Filter），通过外设的谐波补偿装置（电容器、电抗器）进行谐波滤波，并联在谐波源的电源接入点处设置成单调谐或高通滤波器吸收奇数谐波，不仅吸收谐波电流，还可以进行无功功率补偿，由于其准确度较高，运行维护简单因而更适合广泛的应用。
（2）：有源滤波器（Active Power Filter），是采用互感器的检测方法，采样非线性负载的电流、电压信号，将采样信号进行处理，获得需要反馈的无功或谐波电流控制信号用来调整主电路中的ＰＷＭ变流器的开与关状态，输出的谐波补偿电流与负载谐波两者（幅值相等、相位电流、方向相反）互相抵消，达到降低或消除谐波电流的目的，最终降低或消除谐波对整个系统的影响。
（3）：标准电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner），UPQC由串联APF和并联APF整合而成，串并型APF共用直流侧电容，串联型APF经串联变压器输出补偿电压，向电网注入交流功率，同时并联型APF也可以输出谐波的补偿谐波电压，当并联型 APF 的变流器工作在整流状态对蓄电池进行充电时，也可以同时向电网输出滞后或超前的无功功率，还可以输出谐波补偿电流[6]。
（4）：混合型有源滤波器HAPF（Hybrid Active Power Filter），可分为与PPF混合和与其他变流器的混合两类[7]，混合型有源滤波器不仅比无源滤波器成本低廉还具有比有源滤波器性能更优越的特性，更适合危化工程应用。
6.结束语
谐波其预防、检测、控制与消除的新技术研发和实践应用已成为天然气液化领域安全生产的一个重要制约因素，由于天然气液化装置所涉及的行业危险性大、技术含量高及工艺复杂，对非线性设备的可靠性、稳定性和线性度要求比一般的行业更高，谐波的治理目的是消除对供电系统及运行设备的隐形“谐波污染”所以在蓝图的设计及后续的技术改进都应该周密设计和充分考虑谐波的消除，降低谐波对供电系统和设备的污染。
参考文献：
【1】徐丽燕.基于DSP的谐波测量卡的设计与实现 ［D］.南京航空航天大学硕士论文- -2009.
【2】汤赐.新型注入式混合有源滤波器的理论及其应用研究［D］.湖南大学博士论文- -2008.
【3】司为国.基于改进FBD法的谐波电流检测研究［J］.电力系统保护与控制- -2009.
【4】罗安.吴传平.谐波治理技术现状及其发展［J］.大功率变流技术彭双剑- -2011.
【5】毕向阳.混合型有源电力滤波器运行性能的分析与研究［J］.华北电力大学硕士论文- -2008.
【6】万健如.裴玮.统一电能质量调节器同步无差拍控制方法研究［J］.中国电机工程学报 - -2005.
【7】于旭东.分布式电源接入条件下配电网谐波治理研究［J］.资源节约与环保 - -2013.
论文作者:崔少军1,崔维军2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/28
标签：谐波论文; 电流论文; 基波论文; 天然气论文; 信号论文; 设备论文; 滤波器论文; 《基层建设》2018年第35期论文;