吳飛

有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳飛

（天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司）

海上電力系統(tǒng)屬于微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，隨著非線性用電設(shè)備不斷投入使用，諧波含量大大增加，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)電壓的波形質(zhì)量，危害電網(wǎng)電能質(zhì)量，降低了電力系統(tǒng)供電的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。鑒于諧波的危害，通過(guò)研究目前普通采用的諧波治理措施，確定采用有源濾波器作為海上電網(wǎng)諧波治理方案。并以工程實(shí)際案例進(jìn)行了佐證分析。

海上油氣田；電能質(zhì)量；諧波治理；有源濾波器

1 引言

海上油氣田電力系統(tǒng)包括電能的產(chǎn)生、輸送、分配和使用，為工藝流程及生活處理設(shè)施所需的用電設(shè)備進(jìn)行供電，主要為泵類用電設(shè)備。目前由于工藝流程的改進(jìn)，大型設(shè)備如壓縮機(jī)、注水泵等改用變頻控制，以及模塊鉆機(jī)中的泥漿泵、頂驅(qū)等變頻系統(tǒng)，低壓的許多泵類設(shè)備也逐漸需要變頻控制，再考慮海上平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)之間海底電纜傳輸影響，無(wú)功和諧波問(wèn)題是趨嚴(yán)重。

2 諧波的產(chǎn)生與危害

一般把電力系統(tǒng)中的諧波定義為：一個(gè)周期電氣量的正弦波分量謂之為諧波，各次諧波的頻率為基波的整數(shù)倍。探究諧波產(chǎn)生的終極原因無(wú)非是非線性負(fù)載帶來(lái)的。呈線性負(fù)載的設(shè)備所吸收的電流，和電源電壓形成的頻率是相同，且是正弦波電流，電流和電壓間的相位差固定不變；而對(duì)于非線性負(fù)載，所吸收的電流固然是周期性的，但并不是正弦波電流，因其含有每一次諧波而造成電流的波形失真。當(dāng)正弦的基波電壓施加到非線性設(shè)備端時(shí)，流過(guò)設(shè)備的電流和端電壓的波形不同，電流發(fā)生畸變，由于設(shè)備和電網(wǎng)入端連結(jié)，因而諧波電流會(huì)進(jìn)入到是電力電網(wǎng)中，因此這些非線性設(shè)備也就是電力系統(tǒng)的主要諧波源。

電力系統(tǒng)中的主要諧波源包括：類如變壓器等鐵磁非線性設(shè)備；類如電弧焊機(jī)和電弧爐等這類具有強(qiáng)非線性用電的設(shè)備；類如交直流變換的電力電子設(shè)備。

諧波含量直接影響電壓波形的對(duì)稱性和正弦波的畸變率，近而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。諧波降低了電能在生產(chǎn)、傳輸和使用過(guò)程中的效率；使用電設(shè)備產(chǎn)生過(guò)熱、引起噪聲和振動(dòng)；導(dǎo)致絕緣老化加速，縮短設(shè)備壽命，甚至引起故障或損毀；致使電力系統(tǒng)局部產(chǎn)生諧振，放大諧波含量，造成設(shè)備毀壞；引起繼電保護(hù)裝置不動(dòng)作或誤動(dòng)作；還會(huì)干擾通訊電子設(shè)備等。因此，諧波的危害已經(jīng)越來(lái)越受到重視，對(duì)諧波的治理已經(jīng)刻不容緩。

3 諧波的治理措施

諧波治理的總體思路。諧波的治理應(yīng)當(dāng)首先考慮預(yù)防，控制好諧波產(chǎn)生的源頭，使系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進(jìn)行進(jìn)一步的治理。因此，在選擇設(shè)備和構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)該將減小諧波作為一項(xiàng)重要的條件來(lái)考慮。例如：整流器中的相位抵消（通過(guò)選擇合適的相位移動(dòng)，由低脈波數(shù)整流器構(gòu)成的高脈波數(shù)整流器可以消除諧波）或諧波控制；開發(fā)有效的過(guò)程和方法來(lái)控制、減小或消除電力系統(tǒng)設(shè)備的諧波。

其次，在預(yù)防的基礎(chǔ)上，再考慮補(bǔ)救措施。特別是對(duì)于既有的用戶低壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本固定，諧波問(wèn)題的解決只能通過(guò)加裝電抗器、濾波器等補(bǔ)救措施得以控制。

目前在電力系統(tǒng)中所廣泛采用的諧波治理方案，主要有靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、加裝電抗器、多脈動(dòng)整流器、脈沖寬度調(diào)制整流、無(wú)源濾波器和有源濾波器。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主要作用是用于補(bǔ)償系統(tǒng)過(guò)低的無(wú)功功率，以改善系統(tǒng)的電壓水平和功率因數(shù)，僅能起到吸收和抑制少量諧波；加裝電抗器雖能起到抑制部分高次諧波的作用，但還是多用于設(shè)備側(cè)，以免受浪涌沖擊的影響，起到減緩系統(tǒng)變化的效果；對(duì)于多脈動(dòng)整流器而言，普通的六脈動(dòng)整流必然會(huì)產(chǎn)生很多諧波，也是現(xiàn)在電力系統(tǒng)中主要的諧波源之一，通過(guò)增加脈動(dòng)數(shù)，能夠減少整流過(guò)程產(chǎn)生的諧波含量，甚至24脈及其更多脈動(dòng)數(shù)的整流器，能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的入網(wǎng)諧波含量，對(duì)其相應(yīng)的投資成本、體積、有效耗材等都將大大增加，統(tǒng)籌考慮下來(lái)，總體優(yōu)勢(shì)也許并非最佳，但可以作為實(shí)際應(yīng)用中的一種考慮方案；因?yàn)榭刂菩问接绊?，?duì)于脈沖寬度調(diào)制整流裝置而言，某些特征諧波問(wèn)題可能會(huì)較為突出；無(wú)源濾波器在很多電網(wǎng)系統(tǒng)中還依然使用，也起到了較為有效的作用，能夠通過(guò)特定的電路形式消除系統(tǒng)中的主要次數(shù)諧波，也能起到補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功分量的作用，但往往設(shè)備本身體積龐大、有效耗材多，而且并不能消除系統(tǒng)中除主要諧波外的其他次數(shù)諧波。有源濾波器的出現(xiàn)適時(shí)地解決了無(wú)源濾波器面臨的問(wèn)題，不僅能動(dòng)態(tài)追蹤并抑制諧波，諧波有效濾除率高；而且可以補(bǔ)償電網(wǎng)中較低的無(wú)功分量，提高電壓水平，且響應(yīng)速度快；在三相不平衡系統(tǒng)中，能通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功分量校正有功的平衡；適用性強(qiáng)等其他諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，研究確定采用有源濾波器作為海上油氣田電網(wǎng)諧波治理的措施。

4 工程實(shí)際案例分析

通過(guò)對(duì)某微電網(wǎng)工程實(shí)際案例分析，以六脈動(dòng)變頻器為例，運(yùn)用EDSA軟件模擬計(jì)算變頻整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波源，主要應(yīng)用諧波分析功能模塊，基于IEEE Std.519標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

圖1 母線電壓、電流波形仿真圖

根據(jù)仿真分析，母線的電壓諧波畸變率約10.31%，電流諧波畸變率約22.75%。IEEE Std.519對(duì)普通低壓配電網(wǎng)絡(luò)電壓電流畸變極限的要求：低壓電網(wǎng)的電流諧波畸變率不超過(guò)5%。可見(jiàn)母線電流諧波畸變因數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，如果不進(jìn)行諧波治理，不僅增大系統(tǒng)損耗，更會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)計(jì)算選定容量為500A有源濾波器進(jìn)行諧波抑制。諧波治理后，諧波含量小于5%，電網(wǎng)入端的電壓和電流波形較為對(duì)稱，并趨于正弦化，驗(yàn)證了有源濾波器設(shè)備良好的實(shí)際濾波效果。詳見(jiàn)圖2。

圖2 有源濾波器未開啟前、后時(shí)的電壓、電流波形圖（分別為左、右圖）

5 總結(jié)

在工程實(shí)際中，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)，分別檢測(cè)有源濾波器投入前后的諧波含量及波形頻譜圖，并與EDSA軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其與仿真結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了EDSA軟件分析的準(zhǔn)確性，也驗(yàn)證了有源濾波器具備良好的實(shí)際濾波效果。為有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中運(yùn)用的可行性及有效性，提供指導(dǎo)性意見(jiàn)，驗(yàn)證了有源濾波器治理方案的有效性。

雖然有源電力濾波器具有優(yōu)良的抑制諧波的效果，不僅能夠動(dòng)態(tài)跟蹤并補(bǔ)償各次諧波，還能避免諧振、抑制閃變，而且能夠補(bǔ)償系統(tǒng)中的缺乏的無(wú)功分量，是非常先進(jìn)、功能強(qiáng)大的濾波手段。且隨著我國(guó)對(duì)有源濾波器研發(fā)技術(shù)的全面掌握和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不斷引導(dǎo)，以及有源電力濾波器制造成本的下降，國(guó)產(chǎn)設(shè)備已逐漸替代國(guó)外產(chǎn)品，為其快速發(fā)展迎來(lái)契機(jī)。但對(duì)有源濾波器技術(shù)研究方面，仍然需要在諧波檢測(cè)、優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略、優(yōu)化內(nèi)部電路設(shè)計(jì)及設(shè)備的多功能化等領(lǐng)域不斷探索，以期能提高設(shè)備運(yùn)行效率，進(jìn)一步降低制造成本和設(shè)備損耗，并提高設(shè)備的可靠性和實(shí)用性等。當(dāng)然，也不能完全忽視其他的濾波手段，針對(duì)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采取合適的濾波方案。比如：有源濾波器配備無(wú)源濾波器等。此處不再過(guò)多贅述，研究學(xué)者面臨的問(wèn)題依然很多，希望對(duì)濾波的研究能夠有進(jìn)一步發(fā)展。

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1004-7344（2016）33-0099-02

2016-11-2