張 強(qiáng)，于 聃，張麗娜

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海上平臺(tái)諧波濾波設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)，于 聃，張麗娜

（中海油研究總院，北京 100028）

本文介紹了海洋平臺(tái)諧波的產(chǎn)生與治理,并以渤海某油田項(xiàng)目實(shí)例，給出如何根據(jù)諧波分析的計(jì)算結(jié)果來(lái)選擇濾波方案。通過(guò)對(duì)有源濾波器和無(wú)源濾波器兩種方案的比較，給出適用于海上平臺(tái)的消諧方案和提高海上平臺(tái)電網(wǎng)質(zhì)量的建議。

有源濾波器 無(wú)源濾波器 諧波治理 變頻器 無(wú)功功率

0 引言

近年來(lái)海上石油平臺(tái)為適應(yīng)地層工藝采油方式對(duì)液量不斷變化開(kāi)采的要求，油田鉆采系統(tǒng)與油氣集輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置逐步由恒速的交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)改為利用變頻器進(jìn)行調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。變頻器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。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]。

1 諧波的危害與治理

1.1 諧波危害

海上平臺(tái)電力系統(tǒng)通常由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電容器及海纜線路等組成。諧波電流會(huì)造成上述設(shè)備產(chǎn)生附加損耗，使電氣設(shè)備的溫度、振動(dòng)和噪聲升高。諧波電流還會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)化控制裝置產(chǎn)生干擾，引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)，此外諧波產(chǎn)生的諧振過(guò)電壓過(guò)大還會(huì)造成電網(wǎng)設(shè)備的損壞，因此諧波對(duì)于海上平臺(tái)電力系統(tǒng)的影響不容忽視。

1.2 諧波標(biāo)準(zhǔn)

為了降低上述風(fēng)險(xiǎn)，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

1.3 諧波治理方法

針對(duì)諧波產(chǎn)生的原理，可以采用下列方法減小諧波：

1） 增加換流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)，減少換流裝置產(chǎn)生的諧波電流。

2） 使用隔離變壓器為非線性設(shè)備集中供電[2]。

3） 采用有源或無(wú)源濾波器進(jìn)行濾波。

改變非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)的接入點(diǎn)。高壓電網(wǎng)的短路容量大，有承擔(dān)較大諧波的能力，宜把諧波產(chǎn)生容量大的設(shè)備接入到高一級(jí)電網(wǎng)的母線。

2 諧波分析及濾波器選型方案對(duì)比

2.1諧波分析計(jì)算

本實(shí)例以渤海某油田項(xiàng)目來(lái)說(shuō)明海洋平臺(tái)諧波治理的解決方案，WHPB平臺(tái)不設(shè)主電站，其用電來(lái)自13 km外的電站平臺(tái)。該油田的電力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 油田設(shè)施電力系統(tǒng)圖

WHPB平臺(tái)配有兩臺(tái)6.3/0.4 kV 變壓器, 分別為平臺(tái)的工藝、公用及電潛泵負(fù)荷供電，每臺(tái)變壓器所帶的最大計(jì)算負(fù)荷如表3所示，其中電潛泵采用的是一對(duì)一變頻控制，變頻器使用的是施耐德6脈沖的ATV61 系列，容量分別為160 kW和250 kW為兩種。

表3 平臺(tái)用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

使用ETAP“諧波潮流計(jì)算”程序，可以得到母線總的諧波電壓畸變度（THD%）以及單次諧波電壓畸變度，支路的各次諧波電流。通過(guò)計(jì)算可以看到16套變頻器產(chǎn)生了大量的諧波電流，惡化了電源質(zhì)量。WHPB平臺(tái)0.4 kV母線電壓畸變結(jié)果以及0.4 kV母線LA段、LB段的進(jìn)線諧波電流結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5，其電壓、電流諧波畸變率遠(yuǎn)超過(guò)IEEE519和國(guó)標(biāo)GB/T 14549限制值。

表4 母線電壓畸變結(jié)果

表5 變壓器二次側(cè)諧波電流結(jié)果

2.2濾波器方案選擇

海上石油平臺(tái)中針對(duì)電潛泵諧波抑制通常采用“一對(duì)一的變頻器加無(wú)源濾波器”或“有源濾波器”方案，以下分別就兩種方案分別闡述。

2.2.1無(wú)源濾波器方案

無(wú)源濾波器組成主要由電容器、電抗器、電阻器串聯(lián)而成。濾波器并聯(lián)在含有諧波的電網(wǎng)上，根據(jù)需要補(bǔ)償無(wú)功功率和濾除諧波[3]，其系統(tǒng)圖如圖2所示。每一臺(tái)施耐德變頻器均配置了同等容量的前置無(wú)源濾波器，本項(xiàng)目共需要配置16套前置無(wú)源濾波器。

圖2 電潛泵“無(wú)源濾波方式”

圖注：①160 kW變頻器②250 kW變頻器③無(wú)源濾波器⑤公控盤(pán)

2.2.2有源濾波器方案

有源濾波器采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)技術(shù)和IGBT功率變換裝置,實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波電流,通過(guò)瞬時(shí)電流跟蹤控制,自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)諧波變化,通過(guò)IGBT逆變出與系統(tǒng)諧波大小相等相位相反的補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)消除諧波的功能，具有高度可控性與快速響應(yīng)性，在負(fù)載突變的情況仍然具有良好的諧波補(bǔ)償效果[4]，其系統(tǒng)圖如圖4所示。每段母排的諧波計(jì)算電流均不超過(guò)600 A，因此每段母排可設(shè)置兩套300 A的有源濾波器。

圖4 電潛泵“有源濾波方式”

有源濾波器采用模塊化配置，簡(jiǎn)單靈活、體積小巧、安裝便捷，每個(gè)模塊獨(dú)立工作，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的控制同時(shí)濾除多種選定的諧波、并可進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償和三相不平衡補(bǔ)償。

有源濾波器可以對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行諧波治理，而無(wú)源濾波器只能解決個(gè)別設(shè)備產(chǎn)生的諧波，相比之下有源濾波器具有更好地諧波治理效果，它的無(wú)功補(bǔ)償能力也將提高平臺(tái)供電系統(tǒng)地效率，提高電能利用律。對(duì)兩種濾波方式分別進(jìn)行電潛泵控制間布置，有源濾波器布置方案（圖5）要比無(wú)源濾波器布置方案（圖3）節(jié)省面積20%，更有利于平臺(tái)的總體布置，因此海洋石油平臺(tái)應(yīng)用有源濾波器比無(wú)源濾波器更具有優(yōu)勢(shì)。

圖3 電潛泵“無(wú)源濾波器布置方案”