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有源濾波器
2021年8月22日
TDK助力石化行業(yè)改善電能質(zhì)量
石油化工行業(yè)在開采和生產(chǎn)石油和天然氣時須用到各種泵和壓縮機變頻器，難免導(dǎo)致電網(wǎng)負荷大,，諧波大?，F(xiàn)在，這個問題可通過愛普科斯 (EPCOS) PQSine® 系列有源諧波濾波器來解決,。
作為羅馬尼亞和東南歐最大的能源公司,，OMV Petrom 活躍于整個能源價值鏈：從石油和天然氣的勘探和生產(chǎn)，到精煉和燃油分銷,，再到發(fā)電以及天然氣和電力營銷,。公司目前在羅馬尼亞運營的陸上和海上油氣田約 200 個，其中不乏一些歷史悠久的老油田,，也有不少新近發(fā)現(xiàn)的油氣藏,。公司目前高度重視提能源效率，并專門立項,，定期對現(xiàn)有設(shè)施進行現(xiàn)代化改造,。
近期接受改造項目之一是 OMV Petrom 位于摩爾瓦多的其中一個生產(chǎn)部門。項目主要目標是對電器面板進行現(xiàn)代化改造,，以提高生產(chǎn)力和能源效率,。為達成目標要求，公司將采油井的電氣設(shè)備和執(zhí)行器更新為變速驅(qū)動技術(shù),。
改造項目完成后,，該站點的所有泵（約 500 臺）都配備了變頻器,。盡管這顯著提升了生產(chǎn)力水平和能源效率,，但新的問題也隨之而來，即電網(wǎng)中數(shù)量激增的變頻器大幅增加了諧波失真,。諧波是由電力電子設(shè)備的非線性特性引起的,，如從整流變頻器產(chǎn)生的非正弦電流注入電網(wǎng)。其引發(fā)的高頻部分會疊加到基本正弦波,，加劇諧波失真（圖 1）,。
變頻器等電器的非線性負載會導(dǎo)致電網(wǎng)諧波失真。
受該站點的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)影響,，諧波失真不僅會波及低壓 (LV) 電網(wǎng),，還會遷移到中壓 (MV) 級別。測量顯示,，中壓電網(wǎng)中的 THD-I（總諧波畸變率）甚至會超過 30%,。
高 THD 水平會嚴重影響電能質(zhì)量 (PQ)，并可能引發(fā)各種問題,。而對于該站點來說,，高畸變率水平是導(dǎo)致數(shù)個影響生產(chǎn)力的問題的根本原因：
會導(dǎo)致為 OMV Petrom 站點和其他用戶供電的 110/20/6 kV 變電站中的斷路器意外跳閘
大諧波電流,，會導(dǎo)致電力變壓器、電纜（包括中性導(dǎo)線）過熱
系統(tǒng)中的諧波會干擾電源電壓,，致使敏感電子元件發(fā)生故障
增加有功功率損耗
導(dǎo)致有功和無功功率四象限系統(tǒng)的測量誤差
為解決這些嚴重的電能質(zhì)量問題,，OMV Petrom 決議確定并部署一個合適的解決方案。OMV Petrom 推動落實了該決策,，以提高生產(chǎn)的可靠性和效率,，以及公用事業(yè)法規(guī)合規(guī)。
OMV Petrom 同意了能源效率領(lǐng)域的咨詢和工程公司 Servelect 提議的綜合電能質(zhì)量測量方案,。按照該方案要求,，需要記錄“獨立"生產(chǎn)部門的所有變電站（約50個）在不同運行條件下的電能質(zhì)量。然后將記錄的數(shù)據(jù)交由 Servelect 和 TDK 專家進行分析,，并編制能源分析報告,，詳細說明分析的總結(jié)結(jié)果。
PQSine® 提供補償電流以補償非線性負載產(chǎn)生的諧波,。
詳細討論報告并確定主要電能質(zhì)量問題后,，及時報有關(guān)當局審批獲取所有必要許可，以便實施項目,。
技術(shù)解決方案由Servelect 設(shè)計完成并經(jīng)過區(qū)域配電系統(tǒng)運營商 (DSO) 批準,。該解決方案主要借助有源濾波器 (AHF) 來抑制諧波。AHF 是一種電能調(diào)節(jié)設(shè)備,，能連續(xù)測量諧波并動態(tài)補償電流以降低諧波電流畸變率,。在這個項目中，Servelect 選用了 TDK Electronics 的標準型 PQSine® 系列AHF,，并定制了一個交鑰匙解決方案,。圖 2 為PQSine® 的工作原理示意圖。
愛普科斯 (EPCOS) PQSine® 系列AHF安裝在特殊的空調(diào)開關(guān)柜中,，不受環(huán)境因素影響,。
經(jīng)過測量和綜合模擬后，Servelect確定了濾波器的最佳安裝位置,。其中諧波畸變率和已安裝的負載是重要參考指標,。最終，Servelect在 50 個變電站中確定安裝AHF的最佳位置,，以期降低中壓電網(wǎng)中的 THD 水平,。
項目面臨的一項特殊挑戰(zhàn)是該地區(qū)的環(huán)境條件。AHF通常用于工業(yè)室內(nèi)環(huán)境,，而偏遠地區(qū)的石油生產(chǎn)現(xiàn)場的工作條件明顯更嚴苛,。但在該項目中，AHF 機柜必須安裝在室外靠近油泵的位置,。為此,，TDK專門設(shè)計了一個特殊機柜,，以保護設(shè)備不受雨、雪和灰塵等外部因素影響,，并安裝了熱交換器控制機柜內(nèi)溫度,，確保AHF能在寒冷氣候和炎熱夏季都能可靠運行（圖 3）。
為盡量不影響生產(chǎn)運營,，參與項目的各方就調(diào)試的緊迫時間表達成一致,。調(diào)試團隊的主要任務(wù)是 AHF 機柜的電氣連接并集成到 PQSine® 中的 HMI（人機界面）中的主要控制參數(shù)（見圖 4）。
系統(tǒng)設(shè)置時須輸入 CT 參數(shù)并選擇操作模式,。PQSine® 系統(tǒng)可提供諧波補償,、功率因數(shù)校正和平衡負載等諸多優(yōu)勢。
將 HMI 集成到 PQSine® 后,，能設(shè)置控制參數(shù)并檢索數(shù)據(jù),。效果顯而易見：PQSine®將單相的 THD-I 值降低到僅 3.9% 到 4.4%。
愛普科斯 (EPCOS) PQSine® 大幅降低了 THD 值
首先,，PQSine® 裝置的性能在調(diào)試期間得到證實,。AHF 的電能質(zhì)量監(jiān)控屏可顯示各種參數(shù)，方便操作員查看系統(tǒng)性能,。安裝 AHF 裝置后,，低壓電網(wǎng)中的THD-I 值從高達 50% 降低到 4-10%。低壓電網(wǎng)中電能質(zhì)量的顯著改善同樣有助于減少中壓諧波失真并保持在限值以內(nèi),。另外,，很大程度上減少甚至*消除了由電能質(zhì)量引起的負面影響。
AHF的用途并不僅限于此應(yīng)用,，還廣泛適用于各種因高諧波負載導(dǎo)致電能質(zhì)量問題的場合,，其典型應(yīng)用包括工業(yè)生產(chǎn)過程、石油和天然氣行業(yè),、數(shù)據(jù)中心,、辦公樓,、購物中心,、水處理廠和可再生能源領(lǐng)域。