电能质量谐波·VSD Generator · MCC Natural Gas Processing 案例研究

Harmonic Mitigation for a Generator-Fed Motor Control Centre: Natural Gas Sweetening Plant — Mirus International

丹尼斯Ruest, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。) · IPQDF·技术参考系列

源 & 致谢

本文基于现场数据和应用工程 米鲁斯国际公司. (米西索加, Ontario, 加拿大) — Lineator AUHF 通用谐波滤波器的开发人员. 原始案例研究文档可在以下位置获取： mirusinternational.com. IPQDF 衷心感谢 Mirus International 向工程界提供该现场数据.

系统概览

位置	British Columbia, 加拿大
应用	Natural gas sweetening plant — amine process cooling fans
MCCs	8 Motor Control Centres, each exclusively loaded with VSDs
Drive mix per MCC	7 驱动器: 1×40 HP, 4×50 HP, 2×60 HP (480 在)
Total drives	56 adjustable frequency drives across 8 MCCs
供应	On-site turbine generators — fully islanded, no utility connection
谐波滤波器	Mirus Lineator AUHF — one per MCC
Pre-filter THDv (预测)	> 16.5% — THDi up to 40%
Post-filter (测量的)	THDv 1.9% — THDi 5.7% at near full load

01 操作环境: Sour Gas Processing and Why Power Quality Is Safety-Critical

不列颠哥伦比亚省的一家天然气加工和运输公司运营着一家天然气脱硫厂，该厂可去除有毒的硫化氢 (硫化氢) 在通过管道安全运输之前将其从酸性气体中去除. 去除过程使用胺水溶液从气流中吸收 H2S. 整个过程中胺液必须保持在严格控制的温度下: 太热，吸收效率下降; 太冷，进程停止.[1]

温度控制由可调频驱动器驱动的冷却风扇完成 (AFD). 八个工艺列车（称为胺列车）中的每一个都有一个专用的电机控制中心，其中包含七个 480 V型驱动: 一 40 HP, 四 50 HP, 和两个 60 惠普单位. 所有八个 MCC 均由现场涡轮发电机供电. 没有公用电网连接.

为什么可靠性在这里是不容谈判的

硫化氢具有剧毒——IDLH (立即危及生命或健康) 在 100 百万分之一, 高浓度下几分钟内即可致命. 胺吸收工艺是酸性气体与输送管道之间的安全屏障. 冷却风扇的任何干扰都会扰乱胺温度，从而降低 H2S 吸收能力. 导致酸性气体加工厂中的驱动器跳闸或不稳定的电能质量问题不仅仅是操作上的不便，而且是过程安全问题. 这就是为什么项目工程师需要一个具有可靠性的解决方案, 不是实验技术.

无花果. 1. 天然气脱硫厂安装电机控制中心, British Columbia. 八个MCC, 每个都专门装载了七个可调频率驱动器. 源: 米鲁斯国际.[1]

02 发电机供电的 MCC 问题: 为什么标准解决方案被排除

2.1 谐波加载图

八个MCC, 每个都有七个 6 脉冲 VSD 负载, 连接到公共涡轮发电机总线. 无谐波抑制, 预测的总谐波电压失真 480 为 MCC 供电的开关设备 V 超出 16.5%, 电流畸变高达 40%.[1] 这些不是临界数字——它们代表了一个从运行第一天起就处于严重谐波应力的系统.

从本系列之前的案例研究中可以看出问题的根源: 涡轮发电机相对于公用电网具有较高的源阻抗. 在公用总线上产生适度 THDv 的相同谐波电流在发电机总线上产生显着更高的 THDv. 同 56 通过相同的发电机源阻抗驱动所有汲取谐波电流, 预计累积效应将很严重.

2.2 为什么每个传统解决方案都被拒绝

项目工程师, 戴夫·查洛纳, 系统地评估了可用的缓解选项，发现每个选项都不适合该特定应用:[1]

线路电抗器 — 高阻抗发电机源的谐波衰减不足. 线路电抗器通过增加串联阻抗来减少谐波电流, 但在发电机供电系统上，源阻抗已经很高, 并且额外的电抗器阻抗会导致驱动器端子处出现不可接受的压降，而无法在总线级实现有意义的 THDv 降低.
12- 和 18 脉冲解决方案 — 每个驱动器或每个 MCC 都需要一个移相变压器. 同 56 小驱动器范围从 40 至 60 HP, 的成本 56 或 8 移相变压器使得这种选择在经济上不切实际. 多脉冲解决方案对于具有许多小型驱动器的安装的扩展性很差.
调谐无源滤波器 — 需要了解应用时的完整谐波环境. 发电机供电的电力系统其余部分的谐波贡献很难表征, 使得精确尺寸变得不可能. 发电机供电系统上的滤波器调谐不当可能会产生谐振，从而放大而不是衰减特定的谐波次数.
有源滤波器 — 电力电子有源滤波器技术在连续工作中的长期可靠性的不确定性, 安全关键的过程环境. 有源滤波器比无源解决方案需要更多的维护，并且其故障模式可能更具破坏性.

效用视角——系统独立性要求

调谐滤波器抑制值得仔细检查. 在公用电网上, 给定总线的网络阻抗可以通过故障级别数据和网络拓扑来表征——公用事业维护并可以提供的信息. 在隔离发电机供电系统上, “ “网络” 仅由现场发电机及其之间的电缆组成. 故障级别已知. 但如果发电机母线上其他地方存在其他非线性负载, 它们的谐波电流与任何调谐滤波器相互作用，并可以改变其有效谐振频率. Lineator AUHF 完全避免了这个问题: 它是一种宽谱无源滤波器，不依赖于调谐谐振，因此不需要精确了解其滤波驱动之外的谐波环境.

03 过滤器选择: 每个 MCC 一台 Lineator

3.1 为什么选择 Lineator AUHF

AUHF 线性器 (先进的通用谐波滤波器) 根据 VSD 供应商的推荐选择, 并由 Dave Challoner 根据此应用程序所需的三个特定属性进行确认:[1]

优质谐波衰减 — 宽谱减少 6 脉冲驱动器生成的全谐波分布, 不仅仅是特定的谐波次数
可靠的无源设计 — 无有源电力电子设备, 无控制系统, 没有软件. 在连续工作的安全关键过程环境中, 无源滤波器的简单性直接转化为可靠性和低维护负担
系统独立性 — 无论发电机总线上其他负载的谐波含量如何，滤波器均符合规范, 无需详细了解外部谐波环境

3.2 MCC级应用策略

而不是为每个驱动器应用一个过滤器 - 这需要 56 单元 — 每个 MCC 系列均应用一个 Lineator, 同时过滤该 MCC 中的所有七个驱动器. 这种方法之所以有效，是因为 Lineator 的大小适合 MCC 的总负载, 不针对单个驱动器. 结果是八个过滤器而不是 56, 显着节省成本, 安装复杂性, 和面板空间.[1]

MCC级过滤原理

当多个 VSD 负载共享 MCC 内的公共总线时, MCC 进线端应用的单谐波滤波器可接收所有驱动器的组合电流. 来自各个驱动器的谐波电流总和 (由于以不同速度和负载运行的驱动器之间的相位差异，存在一些取消), 滤波器会在组合谐波电流到达电源总线之前对其进行衰减. 当 MCC 仅包含或主要包含 VSD 负载时，这是一种实用且经济高效的拓扑 — 此处的情况正是如此, where all seven drives per MCC were AFDs.

“Lineator offered premium harmonic attenuation, a reliable passive filter design, and system independency. The ability to apply one Lineator to each MCC also made it cost effective and easy to install.” — Dave Challoner, Project Engineer

04 结果: Performance That Exceeded Predictions

Post-installation measurements at near full load confirmed that the Lineator AUHF exceeded both the project target and the IEEE 519 guideline limits:[1]

Voltage THDv

>16.5%

predicted without filter

↓

1.9%

measured with filter

Current THDi

40%

predicted without filter

↓

5.7%

measured with filter

IEEE 519 目标

5% THDv

project target

✓

Exceeded

1.9% achieved

The THDv result of 1.9% is particularly notable — it is less than half the 5% project target and well below the IEEE 519 limit applicable to this system.[2] A THDv below 2% on a generator-fed system with 56 VSD loads represents excellent filter performance. The THDi of 5.7% similarly exceeded the 8% 目标.

Why measured performance exceeded predictions

Harmonic predictions for generator-fed systems typically use conservative assumptions about source impedance and drive loading to ensure the selected filter will be adequate in the worst case. When actual installation conditions are more favorable — higher generator capacity online, drives not all at full load simultaneously, some phase diversity between drives — measured results outperform the conservative prediction. “ 1.9% 与. 5% target gap reflects both conservative engineering and real-world operating diversity across 56 驱动器.

05 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么

5.1 The filter selection methodology — elimination by application requirements

This case study is a good example of filter technology selection by systematic elimination based on application-specific constraints. The constraints were: 发电机供电 (排除线路电抗器不足和调谐滤波器风险太大的可能性), 许多小驱动器 (排除多脉冲成本太高), 安全关键的连续工作 (排除有源滤波器的证据不足). 消除过程直接导致了广谱无源滤波器——唯一同时满足所有约束的技术.

这种方法论——首先定义约束, 匹配技术其次——比从首选解决方案开始并寻找应用它的理由更可靠. 它还可以生成更好的工程原理文档, 在证明项目管理资本支出的合理性时，这是相关的.

5.2 MCC 级 vs. 驱动级过滤——当每一个都合适时

当 MCC 负载主要或全部是 VSD 负载时，在 MCC 级别而不是按驱动器进行过滤的决定是有效的. 在这种情况下, 每个 MCC 的所有七个驱动器都是可调频驱动器 — 100% 非线性负载. 在这些条件下, MCC级过滤既有效又经济.

当 MCC 混合包含 VSD 和线性负载时，计算会发生变化 (直接在线电机, 电阻加热器, 变形金刚). 在这种情况下，, 线性负载不会产生谐波，但会消耗无功功率, 这会改变过滤器的有效负载. 针对包括线性负载在内的完整 MCC 负载而设计的滤波器尺寸可能对于谐波源而言尺寸过大. 然后需要针对负载组合进行每个驱动器过滤或仔细调整聚合大小. 天然气脱硫装置应用通过指定 MCC 负荷避免了这种复杂性。 100% 驱动器——过程要求和电能质量工程的幸运结合.

5.3 发电机供电模式——一个反复出现的主题

这是本系列中涉及发电机供电孤岛系统的连续第三个案例研究: 平原全美管道站 (柴油发电机组, 单室间隔缺损), 近海服务船 (多台发电机, 直流推进驱动器), 现在是一个涡轮发电机供电的工厂 56 开车穿过 8 MCCs. 图案是一致的: 在公用电网上可以管理的谐波问题对于发电机供电系统变得至关重要, 每种情况下的解决方案都需要一种滤波器技术，以解决发电机电压调节器的高源阻抗和不稳定风险.

公用事业视角——发电机系统有何不同

公用事业工程师通过短路比来表征发电机供电系统 (SCR) ——发电机短路容量与负载kVA之比. 低 SCR 意味着每单位负载的源阻抗高. 科图拉管道站, 近海船舶, 按照公用事业标准，该天然气厂的 SCR 含量均较低. 在公用事业系统上, 下面有一个 SCR 20 在公共耦合点引发对谐波电压限制的担忧. 发电机供电的工业系统通常在有效 SCR 下运行 5 至 10 — 谐波抑制不是可选的，而是从运营第一天起必须强制执行的地区.

本系列的下一篇技术文章将从相反方向检查 6 脉冲整流器，而不是作为污染网络的谐波源, 但作为电源电压质量差的受害者. 了解网络侧 PQ 问题如何降低驱动器性能，完整了解驱动器及其电源之间的双向关系.

参考文献

[1] 米鲁斯国际公司, “案例研究: Natural Gas Sweetening Plant,” 应用案例研究, 米西索加, Ontario, 加拿大. 可用的: mirusinternational.com
[2] IEEE StD里 519-2022, “电力系统谐波控制 IEEE 标准,” IEEE, 纽约, 纽约, 2022.