摘 要：當前，變頻器在海洋石油平臺上的應用越來越廣泛，因此，相關企業(yè)必須對其應用中存在的電能質量問題予以足夠重視。通過廣泛采集不同電壓等級配電節(jié)點的電能質量數(shù)據(jù)，對海洋石油平臺電網電能質量現(xiàn)狀進行了分析，并根據(jù)分析結果對海洋石油平臺采用的諧波治理方式進行了優(yōu)缺點分析、總結，然后給出了相關建議。所得的相關數(shù)據(jù)、分析結果和總結，對海洋石油平臺電力系統(tǒng)設計和諧波治理具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：海洋石油平臺；變頻器；電能質量；諧波

中圖分類號：TM714.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.001

為提高海洋油氣開采的效率和可靠性，變頻器、可控硅軟啟動器、不間斷電源（UPS）、開關直流電源等設備和裝置在海洋石油平臺上的應用越來越廣泛。但是，這些非線性電力電子設備和沖擊性負荷會產生大量的諧波電流。諧波會降低電能的生產、傳輸和利用效率，導致電氣設備過熱、產生振動和噪聲；造成絕緣老化，設備使用壽命縮短，甚至引發(fā)故障；引發(fā)電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量增加，造成電容器等設備燒毀；引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。此外，諧波產生的危害具有隱蔽性，導致難以及時找到事故發(fā)生的真正原因。

隨著數(shù)字油田和智能油田的建設，海洋石油生產平臺上由IT技術和微電子技術控制的自動化監(jiān)測、控制、生產的儀表和設備越來越多，對海洋平臺電網電能質量的要求也越來越高，任何電能質量問題都可能導致生產的中斷或者設備的損壞，嚴重影響正常生產，給海洋石油開采帶來巨大的經濟損失。與此同時，隨著電力組網技術在海洋石油平臺上的不斷推廣和應用，諧波的危害范圍逐漸擴大。

針對諧波的危害，為保障海洋平臺油氣生產的安全、可靠進行，必須對海洋石油平臺電網電能質量現(xiàn)狀進行分析，并選擇合理的諧波治理對策。本文首先根據(jù)采集的150處不同電壓等級配電節(jié)點的電能質量數(shù)據(jù)，對我國某海域海洋石油平臺電網電能質量現(xiàn)狀進行了分析，然后根據(jù)電能質量測試數(shù)據(jù)，對海洋平臺采用的不同諧波治理方式進行了優(yōu)缺點分析、總結，最后根據(jù)分析結果對海洋平臺諧波治理方式提出了建議。

1 電網配電系統(tǒng)電能質量測試與分析

1.1 低壓配電系統(tǒng)

目前，海洋石油平臺上的生產設備大多數(shù)通過400 V低壓母線系統(tǒng)配電，特別是電潛泵變頻器、UPS、熒光燈等，其主要非線性負荷都集中在400 V低壓母線上。如果低壓配電系統(tǒng)的電能質量不滿足要求，不僅會直接影響系統(tǒng)設備的正常運行，還會通過平臺電力電纜傳導到平臺更高等級的電力系統(tǒng)，影響整個平臺的電能質量和發(fā)電機的安全、可靠運行。為使獲得的數(shù)據(jù)具有代表性，廣泛采集了某海域25個海洋石油平臺共72處低壓配電節(jié)點的電能質量數(shù)據(jù)。

從此次采集獲得的數(shù)據(jù)來看，目前海洋石油平臺電網低壓配電系統(tǒng)的電能質量基本能夠滿足設計文件中所列標準規(guī)范的要求，所采集的72處低壓配電節(jié)點，其電壓總諧波畸變率都沒有超過相關標準中允許的5%的上限，低壓配電節(jié)點電壓總諧波畸變率最高為某平臺的ACB1的3.699%.由于變頻器的大量使用，雖然配置了“一對一”的無源濾波器，但在所測量的25個平臺中，仍有14個平臺的低壓配電節(jié)點5次和7次諧波電流接近或超過諧波電流限值。表1所示為WHPM海洋石油平臺上采油電潛泵地面變頻器的電能質量測試數(shù)據(jù)。

1.2 中壓配電系統(tǒng)

在海洋石油平臺電力系統(tǒng)中，中壓配電系統(tǒng)（6.3 kV、10.5 kV）為平臺上發(fā)電機的電壓等級。發(fā)電機發(fā)出的電能除了通過變壓器供其他電壓等級系統(tǒng)的設備使用外，經常在發(fā)電機出線端的中壓母線上還帶有注水泵、原油外輸泵、天然氣壓縮機等大功率中壓負荷。由于這些大功率負荷往往帶有可控硅軟啟動器、變頻器等非線性裝置，因此給中壓母線的電能質量造成直接的影響，同時，低壓配電系統(tǒng)的諧波電流也會流經中壓配電系統(tǒng)注入到發(fā)電機，嚴重時，會影響發(fā)電機和整個系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。從采集的10處中壓配電節(jié)點數(shù)據(jù)來看，中壓配電系統(tǒng)電能質量總體正常，總諧波電壓畸變率符合相關標準，但部分配電節(jié)點的總電流諧波畸變率超過相關標準要求。表2所示為WHPK平臺主配電間6.3 kV配電節(jié)點VCB1的測試數(shù)據(jù)，總電流諧波畸變率在10%左右，其中，5次諧波電流超過國家相關標準。

1.3 高壓配電系統(tǒng)

在海洋石油平臺電力系統(tǒng)中，平臺間的電能主要通過35 kV

海底電纜來輸送，比如由發(fā)電站的中心動力平臺給遠端不帶電站的衛(wèi)星井口平臺供電。當平臺間距離較遠時，海底電纜的容性效應會產生很大的充電電流，影響整個高壓配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，使整個高壓系統(tǒng)呈容性，特別是當高壓配電系統(tǒng)存在諧波時，可能會發(fā)生諧振現(xiàn)象，放大諧波電流，嚴重時，擊穿海纜，從而影響海洋石油平臺的安全生產。此次共采集了4處35 kV高壓配電系統(tǒng)的電能質量數(shù)據(jù)。從采集到的數(shù)據(jù)來看，作業(yè)區(qū)35 kV高壓電能質量基本正常，總電壓諧波畸變率符合國標規(guī)定，但部分測試節(jié)點由于受低壓配電系統(tǒng)段變頻器諧波電流的影響，通過電力線路的傳導，導致35 kV高壓諧波電流值超標，因此，需要在低壓側進行諧波的徹底治理，防止諧波電流進一步注入到高一級配電網絡，影響整個供電系統(tǒng)。表3所示為WHPL平臺主配電間35 kV配電節(jié)點VCB2的測試數(shù)據(jù)。

從海上石油平臺電網低壓、中壓、高壓三個不同電壓等級的電能質量測試數(shù)據(jù)來看，目前海洋石油平臺電網電壓電能質量基本滿足相關標準的要求，但部分測試節(jié)點的諧波電流超過了相關標準的限制。因此，必須對目前海洋石油平臺電網中所配置的諧波濾波裝置的實際濾波效果進行分析和總結，為以后諧波抑制方案的設計提供參考。

2 海洋石油平臺諧波的治理

2.1 無源濾波器

在海洋石油平臺上，由于變頻器在電潛泵啟動和調產方面的巨大優(yōu)勢，越來越多的平臺電潛泵控制系統(tǒng)采用了“一對一”的變頻控制方式，變頻器的大量應用帶來的電能質量問題也越來越突出，因此，必須采取有效措施進行治理。此前，在海洋石油平臺上，主要的諧波治理措施為在變頻器輸入端加裝無源濾波器。無源濾波器的廣泛使用提升了海上石油平臺的電能質量，但是，根據(jù)電能質量測試結果和使用過程中生產現(xiàn)場的反饋，無源濾波器的一些弊端也不斷暴露出來。

2.1.1 占用空間大

一臺變頻器需要配置一臺無源濾波器，但海洋石油平臺上“寸土寸金”，結構十分緊湊，無源濾波器的性價比優(yōu)勢因其占用空間大的缺點而大大降低。

2.1.2 無功過補償

無源濾波器中有大量的電容器，在實現(xiàn)濾波的同時能起到無功補償?shù)淖饔?。設計時，電潛泵變頻器的容量一般按照該井高峰年的電功率需求來設計，同時，所配置的無源濾波器的容量一般按照變頻器的容量來設計。由于在一些采油井口平臺上，電潛泵負荷電量占到平臺總負荷的40%～50%，部分平臺甚至達到70%，導致實際使用過程中常發(fā)生無功過補償現(xiàn)象。如表1中電潛泵變頻器的測試所示，測試節(jié)點的功率因數(shù)皆呈容性。由于海洋采油井口平臺電潛泵負荷占比大，當容性無功功率過補償?shù)揭欢ǔ潭葧r，甚至會引發(fā)平臺發(fā)電機進相運行、電網失穩(wěn)崩潰。

2.1.3 濾波效果差

無源濾波器的選型受電網和負載參數(shù)的影響較大，且只能濾除少量幾次的諧波。隨著使用時間的延長，電網和設備參數(shù)均發(fā)生了變化，濾波效果大大降低。從上述測試數(shù)據(jù)可以看到，雖然電潛泵變頻器輸入端都安裝了無源濾波器，但是部分配電節(jié)點仍存在較大的諧波電流。

2.2 有源濾波器

鑒于無源濾波器的缺點，最近幾年，隨著電力電子技術的發(fā)展和元器件價格的降低，有源濾波器逐漸被應用于海洋石油平臺上。有源濾波器的工作原理是：由諧波檢測模塊檢測非線性負載中的諧波電流，取反后作為有源濾波器控制器的參考指令信號；控制器跟蹤參考指令信號，然后發(fā)出驅動信號，控制有源濾波器主電路電力電子器件的開關狀態(tài)，使有源濾波器直流側電壓維持在設定值的同時，產生與負載諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，并注入到電網中，從而使電網對非線性負載只提供基波有功電流，非線性負載需要的諧波和無功電流由有源濾波器提供。與無源濾波器相比，有源濾波器在海洋石油平臺上的應用具有如下優(yōu)點。

2.2.1 占用空間小、結構緊湊

在海洋石油常規(guī)井口平臺上，1臺有源濾波器可以補償3臺左右電潛泵變頻器產生的諧波電流，因此在體積上具有很大的優(yōu)勢，同時，其自身的性價比也有所提升。

2.2.2 實現(xiàn)動態(tài)諧波抑制

有源濾波器可以根據(jù)平臺上負載諧波電流的變化情況，迅速調整自身補償?shù)闹C波電流，并且具有很好的動態(tài)性能。

2.2.3 補償方式靈活

有源濾波器可以對2～50次的諧波實現(xiàn)補償，同時能夠自主選擇各次補償諧波電流的大小，補償方式靈活。

從以上優(yōu)點可以看出，與無源濾波器相比，有源濾波器非常適合在海洋石油平臺上進行諧波治理，且隨著其價格的不斷降低，在諧波治理上將逐步取代無源濾波器。

3 結論

通過測試多處海洋石油平臺電網不同電壓等級系統(tǒng)配電節(jié)點的電能質量可知，目前海洋石油平臺電網電能質量基本滿足國家相關標準規(guī)范的要求。但是，由于海洋平臺廣泛使用的無源濾波器受自身缺點的限制，部分配電節(jié)點出現(xiàn)了諧波電流超標、無功過補償?shù)痊F(xiàn)象。智能油田的建設對海上石油平臺電網電能質量提出了更高的要求，有源濾波器因其自身的優(yōu)勢將逐步取代無源濾波器，并將得以廣泛應用。

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〔編輯：劉曉芳〕