張 強(qiáng)

（中海油研究總院 北京100027）

0 引 言

隨著電力電子設(shè)備的發(fā)展，海洋石油平臺(tái)上越來(lái)越多的電氣設(shè)備開(kāi)始應(yīng)用變頻器等非線性設(shè)備，這些非線性裝置產(chǎn)生大量諧波，使電壓和電流形成畸變，嚴(yán)重影響了海洋石油平臺(tái)電源的質(zhì)量。

基于海洋石油平臺(tái)諧波問(wèn)題的日益突出，需要認(rèn)識(shí)海洋石油平臺(tái)諧波的特點(diǎn)，并結(jié)合諧波分析的結(jié)果制定出濾波方案。本文首先介紹ETAP軟件在諧波程序的主要內(nèi)容，隨后通過(guò)南海某油田項(xiàng)目實(shí)例，介紹如何采用ETAP對(duì)平臺(tái)的電力系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析計(jì)算，并給出計(jì)算報(bào)告和初步確定濾波方案。

1 諧波的產(chǎn)生與治理

海洋石油平臺(tái)諧波污染主要來(lái)自變頻器，變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，向電網(wǎng)中注入了大量的高次諧波。變頻器諧波的表現(xiàn)形式主要為電流諧波與電壓諧波兩種方式，其中電流諧波主要取決于負(fù)載大小及相關(guān)的回路阻抗等，電壓諧波取決于回路阻抗與總諧波電流［1］。

諧波的危害十分嚴(yán)重。它能使電氣設(shè)備過(guò)熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，使設(shè)備絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。對(duì)于電能質(zhì)量，許多國(guó)家和國(guó)際組織都制定了諧波的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE Std.519-1992中對(duì)諧波電流允許值作了相關(guān)規(guī)定：

當(dāng) Isc/IL＜20，TDD 限值為 5%；當(dāng) 20＜Isc/IL＜50，TDD限值為8%［2］。其中：Isc為公共連接點(diǎn)的短路電流；IL為公共連接點(diǎn)的負(fù)載電流基波分量；TDD為總需求電流畸變率。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中也對(duì)電壓和電流諧波分量作出了具體規(guī)定，如表1和表2所示。

表1 公用電網(wǎng)電壓諧波分量限制表

表2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

針對(duì)諧波產(chǎn)生的原理，可以采用下列方法減小諧波：

（1）增大整流回路的脈沖數(shù)；

（2）加大電流側(cè)的電抗，對(duì)電流諧波進(jìn)行平波；

（3）增加有源或無(wú)源濾波器進(jìn)行濾波；

（4）設(shè)備選型計(jì)算要合理，在滿足要求的前提下盡可能減少容量。

考慮使用的經(jīng)濟(jì)性，海洋石油平臺(tái)通常采用無(wú)源濾波器來(lái)降低平臺(tái)的諧波水平。

2 使用ETAP軟件進(jìn)行諧波分析及濾波器選型

2.1 ETAP軟件介紹

ETAP軟件是由美國(guó)OTI公司開(kāi)發(fā)的一套全圖形化的電力系統(tǒng)仿真分析、計(jì)算應(yīng)用軟件，該軟件擁有直觀、友好的操作界面以及強(qiáng)大而完善的計(jì)算分析功能，適用于核電站、海上石油平臺(tái)、煉油廠、發(fā)電廠等場(chǎng)合的電力系統(tǒng)分析和計(jì)算［3］。

該軟件集成了包括潮流計(jì)算、短路計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定性分析、發(fā)電機(jī)/電機(jī)啟動(dòng)分析、諧波計(jì)算、優(yōu)化潮流計(jì)算和繼電保護(hù)配合在內(nèi)十余種計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)工程內(nèi)通過(guò)模塊切換按鈕即可完成所有計(jì)算，給使用者帶來(lái)了極大的方便。

ETAP諧波分析程序遵從IEEE 519標(biāo)準(zhǔn)，包含諧波潮流計(jì)算、頻率掃描分析，可對(duì)電壓與電流的總有效值（RMS）、合成峰值（ASUM）、各次諧波分量及總諧波畸進(jìn)行計(jì)算，并可根據(jù)諧波計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的共振檢查。

2.2 工程應(yīng)用實(shí)例

本文針對(duì)南海某油田項(xiàng)目，利用ETAP軟件建立模型、進(jìn)行諧波分析，然后根據(jù)分析結(jié)果利用ETAP軟件進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，并觀察濾波后的效果。

鉆采平臺(tái)DPP設(shè)有3臺(tái)額定功率為5 530 kW的原油發(fā)電機(jī)組作為平臺(tái)的主電站，正常運(yùn)行時(shí)為兩用一備；同時(shí)低壓480 V還設(shè)有一臺(tái)1 000 kW的天然氣發(fā)電機(jī)與主電站并聯(lián)運(yùn)行，為平臺(tái)上的工藝、公用、鉆機(jī)以及采油電潛泵等負(fù)荷提供電源。整個(gè)平臺(tái)的電力系統(tǒng)如下頁(yè)圖1所示。

2.2.1 諧波分析計(jì)算

本項(xiàng)目鉆采平臺(tái)DPP的母線LC段及LD段專(zhuān)門(mén)用來(lái)為電潛泵負(fù)荷供電，先期工程中先投入8口井，電潛泵均采用一對(duì)一交流變頻控制，變頻器使用的是施耐德 6脈沖的ATV61系列，容量為400 kW及500 kW兩種。本實(shí)例采用由施耐德提供參數(shù)建立的諧波源模型，變頻器中各次諧波的百分含量如下頁(yè)表3所示。

為了使用ETAP軟件進(jìn)行諧波計(jì)算，首先要建立鉆采平臺(tái)的電力系統(tǒng)單線圖，將工程中需要使用的元件拖拽到圖紙OLV1中，并將各種電氣參數(shù)進(jìn)行輸入，這些元件包括發(fā)電機(jī)、母線、開(kāi)關(guān)、電纜、變壓器、等效靜態(tài)負(fù)荷、電機(jī)、變頻器等。平臺(tái)的用電負(fù)荷及發(fā)電機(jī)的容量如表4所示。

圖1 鉆采平臺(tái)DPP電力系統(tǒng)圖

表3 變頻器諧波電流信息

表4 平臺(tái)發(fā)電機(jī)容量及平臺(tái)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

點(diǎn)擊運(yùn)行“諧波潮流計(jì)算”程序，可以得到母線總的諧波電壓畸變度（%）以及單次諧波電壓畸變度，支路的各次諧波電流及其總的畸變度。通過(guò)計(jì)算可以看到8套變頻器產(chǎn)生了大量的諧波電流，惡化了系統(tǒng)內(nèi)電源的質(zhì)量。鉆采平臺(tái)DPP中4.16 kV、0.48 kV的母線電壓畸變報(bào)告以及母線LC段、LD段的進(jìn)線電流畸變報(bào)告分別見(jiàn)表5、表6，其電壓、電流諧波畸變率遠(yuǎn)超過(guò)IEEE 519和國(guó)標(biāo)GB/T 14549限制值。

表5 母線電壓畸變報(bào)告

表6 變壓器二次側(cè)電流畸變報(bào)告

2.2.2 濾波器設(shè)計(jì)

LC段、LD段母排電壓、電流諧波畸變率遠(yuǎn)超過(guò)IEEE 519限制值，應(yīng)采取合理的濾波方式消除諧波，采用就地濾波方式可以減小對(duì)電力系統(tǒng)的諧波影響范圍，增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，首先可確定濾波器應(yīng)加裝在LC、LD段母排處進(jìn)行濾波，濾波器通常采用室內(nèi)安裝方式。

濾波方式主要有兩種，無(wú)源濾波器方案或有源濾波器方案。海洋石油中針對(duì)電潛泵供電常用的是“一對(duì)一的變頻器加無(wú)源濾波器”方案，如圖2所示。

無(wú)源濾波器通常由一組或幾組單調(diào)諧濾波器和高通濾波器構(gòu)成，該裝置與諧波源并聯(lián)后，除了能濾波外，還能起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?，以無(wú)源濾波器為例說(shuō)明ETAP如何進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。從先前的分析可知，諧波污染主要來(lái)自5次、7次、11次諧波，針對(duì)每個(gè)諧波源依次添加5次、7次、11次單調(diào)諧濾波器。ETAP軟件有調(diào)諧濾波器容量計(jì)算功能，通過(guò)該功能可以很快得到需要的合適濾波器容量。使用該功能需要填入以下幾項(xiàng)參數(shù)［4］：

（1）要濾波的次數(shù)及諧波電流的大?。?/p>

（2）用于做濾波器的電容的額定電壓、最大電壓、電抗器最大允許電流和品質(zhì)因數(shù)；

（3）濾波器投用前的現(xiàn)有功率因數(shù)、負(fù)荷的容量以及補(bǔ)償后期望的功率因數(shù)。

給出這些條件后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算給出電容、電抗器的參數(shù)，并可以直接將計(jì)算結(jié)果替換到濾波器參數(shù)里。本實(shí)例計(jì)算得到5次、7次、11次濾波器中單相電容容量分別為 10.14 kvar、10 kvar、10 kvar，單相電容值分別為 350.6 μF、345.7 μF、345.7 μF，電感值分別為0.3 ohm、0.16 ohm、0.06 ohm。將設(shè)計(jì)好的濾波器投入，再次進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，得到濾波后母線總的諧波電壓畸變度以及單次諧波電壓畸變度的大小，支路的各次諧波電流及其總的畸變度的大小，見(jiàn)表7和表8，其結(jié)果滿足 IEEE 519和國(guó)標(biāo)GB/T 14549限制值。

表7 母線電壓畸變報(bào)告

表8 變壓器二次側(cè)電流畸變報(bào)告

通過(guò)比較與濾波前的電壓波形（圖3）及濾波后的電壓波形（圖4），可以看到濾波后的電壓更加平滑，基本接近于正弦波，可見(jiàn)，采用合適的無(wú)源濾波器能夠解決平臺(tái)諧波的問(wèn)題。

圖3 濾波器投入前LC母線電壓波形

圖4 濾波器投入后LC母線電壓波形

3 結(jié) 論

隨著海洋石油平臺(tái)非線性設(shè)備（特別是采用交流變頻的設(shè)備）越來(lái)越多，電網(wǎng)中的諧波也越來(lái)越嚴(yán)重，因此對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析以及如何有效治理諧波，是平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作之一。

通過(guò)使用ETAP軟件，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行諧波分析計(jì)算，并給出濾波器的選型設(shè)計(jì)。工程實(shí)踐表明，ETAP作為全球范圍內(nèi)領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真分析、計(jì)算軟件，其功能強(qiáng)大、計(jì)算準(zhǔn)確，尤其是在電網(wǎng)諧波分析領(lǐng)域，能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作量、提高工作效率，對(duì)了解并解決當(dāng)前海洋石油平臺(tái)日益嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)作用。

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］IEEE Std.519-1992.IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems［S］.

［3］凌衛(wèi)家，呂東曉，戴江江，等.面向用戶(hù)的電力系統(tǒng)模擬計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件［J］.湖北電力，2002，26（2）：33-35.

［4］ETAP User Guide 5.5.0［M］.Irvine：OTI，2006.