趙思羽（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià)中心）

變頻器諧波的產(chǎn)生及抑制方法

趙思羽（中國石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評(píng)價(jià)中心）

在油氣生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)量較低時(shí)，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較低，設(shè)備能耗較大。為了降低設(shè)備能耗，提出變頻運(yùn)行技術(shù)，但變頻器運(yùn)行時(shí)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。變頻器產(chǎn)生的諧波對(duì)供電電網(wǎng)形成電磁干擾，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，可使動(dòng)力設(shè)備發(fā)熱，減少設(shè)備使用壽命；諧波的輻射會(huì)產(chǎn)生無線電干擾，影響在線數(shù)據(jù)的傳輸。為了解決以上問題，采用了YH-8010有源濾波器。經(jīng)現(xiàn)場測試驗(yàn)證，其能有效抑制對(duì)低壓配電網(wǎng)的污染，改善配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)設(shè)備安全，延長設(shè)備壽命和配電網(wǎng)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

變頻器；諧波；有源濾波

引言

變頻器在油田應(yīng)用十分廣泛，其工作原理是把供電電源50 Hz轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備的變速調(diào)速運(yùn)行，控制電路控制其主電路，整流電路將交流電變換成直流電，逆變電路將直流電再逆變成交流電[1]。整個(gè)電路運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量不同頻率的諧波，其中輸入端產(chǎn)生的諧波對(duì)供電電網(wǎng)形成電磁干擾，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)燒毀變壓器，導(dǎo)致整個(gè)供電線路停電[2]；變頻器輸出端產(chǎn)生的諧波可使動(dòng)力設(shè)備發(fā)熱，增大設(shè)備的震動(dòng)，長期運(yùn)行會(huì)減少設(shè)備使用壽命；諧波的輻射會(huì)產(chǎn)生無線電干擾，影響在線數(shù)據(jù)的傳輸。

為了降低諧波對(duì)整個(gè)電路電網(wǎng)用電設(shè)備的影響，需要在變頻器輸入、輸出端分別配置濾波器、交流電抗器、平波電抗器等抗源設(shè)備，過濾掉諧波，進(jìn)而降低對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 諧波概念

在交流電網(wǎng)中，電源頻率為50 Hz，稱為工頻，而與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

在正弦電路中，除了正弦波之外，還有非正弦波。任何一個(gè)周期性的非正弦波，均可以分解為無窮多個(gè)頻率不同的正弦量的疊加，凡是有周期性非正弦波存在的環(huán)境中，均有諧波存在（圖1）。

當(dāng)基波與諧波疊加后，就會(huì)改變交流電的頻率和振幅，從而改變整個(gè)電網(wǎng)的頻率和振幅，進(jìn)而影響用電設(shè)備。

1.1 變頻器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生諧波干擾

輸入側(cè)：變頻器整流后，電流脈動(dòng)性非常大，即產(chǎn)生大量諧波，從而降低電源的供電質(zhì)量，干擾接入用電設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

輸出側(cè)：變頻器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列矩形波，這些矩形波主要以高次諧波為主。這些高次諧波會(huì)產(chǎn)生電磁輻射干擾無線電設(shè)施，降低無線設(shè)備側(cè)傳輸效果；若加到電動(dòng)機(jī)的繞組上，會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，使其銅損和鐵損增加，局部溫度增高；同時(shí)，諧波電流會(huì)改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生振動(dòng)力矩，使其發(fā)生周期性轉(zhuǎn)速變動(dòng)，從而影響輸出頻率，并發(fā)出噪聲震動(dòng)，減少電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2 諧波危害

變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)油田電網(wǎng)產(chǎn)生的危害日益嚴(yán)重。其中包括：

1）當(dāng)諧波進(jìn)入供電電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)所帶的用電設(shè)備產(chǎn)生諧波損耗，對(duì)發(fā)電機(jī)會(huì)降低其發(fā)電效率，增加電網(wǎng)的線路損耗，降低用電設(shè)備的運(yùn)行效率；嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起線路火災(zāi)，如中線過熱后，線路起火，降低整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，甚至停電。

2）諧波影響各種電器設(shè)備的正常運(yùn)行，如增加注水泵機(jī)組電動(dòng)機(jī)的震動(dòng)，增加泵房的噪聲污染，也能使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，減少電動(dòng)機(jī)的使用壽命，也不利于現(xiàn)場數(shù)據(jù)錄取人員的身體健康。

圖1 諧波合成示意圖

3）諧波會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而放大諧波振幅，導(dǎo)致整條供電線路出現(xiàn)問題。油井停抽后，井下壓力變化較大，外輸泵停運(yùn)后，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐液位升高。

4）諧波會(huì)產(chǎn)生無線電干擾，對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。例如，注水站、注聚站、中轉(zhuǎn)站等控制系統(tǒng)會(huì)受到影響，并使各站所信號(hào)采集發(fā)生漂移，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不能及時(shí)反映生產(chǎn)運(yùn)行情況，人員無法掌握實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[3]。

大慶油田公司對(duì)大慶油田配電網(wǎng)的467個(gè)重點(diǎn)部位的諧波測試表明，變電所主母線和饋出線諧波超標(biāo)率分別為2.5%、6%，而低壓變頻器諧波超標(biāo)75%，是油田電網(wǎng)目前主要的諧波源。電網(wǎng)諧波污染對(duì)變頻器也會(huì)造成自身損害。以第四采油廠為例，目前有站用、庫用變頻器779臺(tái)，井用變頻器1 502臺(tái)，總計(jì)2 281臺(tái)。主要由ABB、AB、東芝、西門子、艾默生、INVT等24個(gè)廠家提供，具體情況見表1。

表1 采油四廠變頻器型號(hào)構(gòu)成情況

2016年上半年共維修井用、站庫變頻器71臺(tái)次。同比2015年上半年增長97.2%。其中維修ABB變頻器16臺(tái)、AB變頻器5臺(tái)、風(fēng)得控變頻器26臺(tái)、INVT變頻器4臺(tái)、匯川變頻器10臺(tái)、星辰變頻器8臺(tái)、施耐德變頻器2臺(tái)。變頻器的諧波電流與變頻器的廠家有關(guān)，主要是因?yàn)椴煌瑥S家生產(chǎn)的變頻器，其所用的濾波電路的不同，變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有所不同，如是否內(nèi)嵌直流電抗器或交流電抗器、濾波電容的容量大小等。本文主要分析用于現(xiàn)場故障率較高的風(fēng)得控變頻器。

應(yīng)用諧波檢測儀檢測風(fēng)得控變頻器產(chǎn)生的諧波見圖2。通過現(xiàn)場檢測圖譜可以看出，風(fēng)得控變頻器產(chǎn)生諧波較為明顯，諧波污染較為嚴(yán)重，同時(shí)也可以得出諧波因素是導(dǎo)致變頻器損壞的重要因素之一。

圖2 諧波圖譜

3 諧波抑制

目前諧波抑制主要有以下三種方法：安裝諧波補(bǔ)償裝置；改造變頻器的工作原理，使其無法產(chǎn)生諧波，并使其功率因數(shù)為1.0，沒有無功功率產(chǎn)生；在電網(wǎng)中安裝諧波過濾器，減少諧波流入電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，減少其對(duì)電網(wǎng)的危害。

3.1 電抗器

變頻器運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的諧波電流中，其中5、7次諧波所占比重較大，對(duì)用電設(shè)備影響較大，主要造成用電設(shè)備發(fā)熱。對(duì)于電網(wǎng)來說，導(dǎo)致電網(wǎng)的無功功率消耗較大，從而使整條線路的功率因數(shù)降低，增加電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷，降低電網(wǎng)的供電質(zhì)量。在線路中串聯(lián)電抗器能有效降低低頻次的諧波電流。根據(jù)接入點(diǎn)的不同，主要分為以下幾種抑制方式。

1）交流電抗器，串聯(lián)方式依次為電源、交流電抗器、變頻器，其主要作用是：提高功率因數(shù)，將功率因數(shù)提高到0.85以上；減少浪涌對(duì)變頻器的沖擊，減少變頻器故障，延長變頻器的使用壽命；使電源三相電壓相對(duì)平衡。

2）直流電抗器，串聯(lián)方式為整流橋、直流電抗器、濾波電容器，其主要功能是：削弱輸入電流中的高次諧波，將功率因數(shù)提高到0.95以上，相對(duì)交流電抗器更能提高功率因數(shù)；其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于安裝等。

3）輸出電抗器，串聯(lián)方式為變頻器、輸出電抗器、電動(dòng)機(jī)，其主要作用是：抑制變頻器經(jīng)逆變輸出后調(diào)制方波在電路上產(chǎn)生的過電壓，保證電動(dòng)機(jī)正常工作，延長電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3.2 濾波器

在供電線路中安裝濾波器的主要作用是抑制干擾信號(hào)從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源或電動(dòng)機(jī)。當(dāng)濾波器安裝在變頻器輸出端時(shí)，可以減少電磁噪聲和損耗；當(dāng)濾波器安裝在變頻器輸入端時(shí)，可以減少其諧波對(duì)供電端的影響。濾波器的主要作用是減少頻率較高的諧波分量。根據(jù)安裝位置的不同，可分為輸入濾波器和輸出濾波器。

1）輸入濾波器通常分為兩種：線路濾波器，其內(nèi)部構(gòu)件主要為電感線圈，它通過增加線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流；輻射濾波器，其內(nèi)部構(gòu)件主要為高頻電容器，電容器能夠吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分，凈化電路諧波。

2）輸出濾波器，其內(nèi)部構(gòu)件主要為電感線圈。它除了可以削弱輸出電流中的高次諧波外，還能削弱電動(dòng)機(jī)中由高次諧波電流引起的附加轉(zhuǎn)矩；但必須注意以下幾個(gè)方面：變頻器輸出端不能接入電容器；當(dāng)輸出濾波器由電容性電路構(gòu)成時(shí)，濾波器內(nèi)接入電容器的一側(cè)，必須與電動(dòng)機(jī)側(cè)相接，其示意圖如圖3所示。

3.3 制動(dòng)電阻

1） 作用：消耗再生到直流電路中的能量，使電動(dòng)機(jī)獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2） 使用場合：電動(dòng)機(jī)在停止時(shí)產(chǎn)生再生電能的條件下。

圖3 LC濾波器單元

3） 制動(dòng)電阻的參數(shù)選擇：包括電阻的阻值和電阻的耗散功率。電阻的阻值決定制動(dòng)時(shí)流過電阻的電流大小，耗散功率決定制動(dòng)時(shí)電阻的容許發(fā)熱量；由于制動(dòng)電阻的發(fā)熱量與通電時(shí)間成正比，因此，在頻繁起停的場合選擇制動(dòng)電阻時(shí)其耗散功率應(yīng)適當(dāng)加大。

3.4 接地

變頻器的接地既可以降低外界干擾，也能降低對(duì)外界的干擾。在現(xiàn)場安裝過程中，當(dāng)電源零線（中線）、地線（保護(hù)接地、系統(tǒng)接地）不分別接入，或者控制系統(tǒng)屏蔽地（控制信號(hào)屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地）混亂連接時(shí)，將會(huì)降低整個(gè)變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

對(duì)于變頻器安裝，其中主回路端子PE（E、G）的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段。在變頻器中設(shè)計(jì)安裝消諧保護(hù)系統(tǒng)（圖4）。

圖4 變頻器消諧裝置安裝示意圖

3.5 諧波現(xiàn)場治理效果

以采油四廠第四油礦2-6注入站為例，該站諧波量較高，對(duì)整個(gè)站內(nèi)運(yùn)行設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，為了減少諧波影響，在站內(nèi)配電室安裝YH-8010有源濾波器。

表2、表3、表4示出四礦2-6注入站在治理前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比。治理后各項(xiàng)指標(biāo)符合國家及大慶油田企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，消除了諧波可能帶來的危害，從而可以保證生產(chǎn)的正常、安全進(jìn)行[4]。

表2 2-6注入站在治理前公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量分析

表3 2-6注入站在治理后公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量分析

使用YH-8010有源濾波器有效抑制了低壓配電網(wǎng)的污染，改善配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備安全，延長設(shè)備壽命和配電網(wǎng)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4 治理變頻器諧波污染的初步想法

針對(duì)采油四廠的變頻器諧波問題與現(xiàn)狀，提出以下想法：

◇對(duì)不同品牌型號(hào)的變頻器進(jìn)行仿真及諧波檢測，并進(jìn)行對(duì)比分析；

◇使用具有隔離功能的變壓器，可以阻擋電源側(cè)絕大部分的傳導(dǎo)諧波干擾；

◇合理布置電纜電線，屏蔽諧波輻射；

◇站內(nèi)控制系統(tǒng)中，用軟件程序?qū)Σ杉盘?hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，降低諧波對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的干擾。

5 結(jié)論

根據(jù)諧波產(chǎn)生原理，分析變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害性，在此基礎(chǔ)上提出了抑制諧波的技術(shù)措施。主要通過現(xiàn)場應(yīng)用YH-8010有源濾波器，監(jiān)測前后諧波量的大小。經(jīng)測試數(shù)據(jù)分析，該濾波器能有效抑制電網(wǎng)諧波，縮小變頻器的影響范圍，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量，降低諧波對(duì)耗電設(shè)備的危害。

表4 測試總體數(shù)據(jù)匯總

[1]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：52-57.

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[3]段曉波.高壓電網(wǎng)新型諧波測量系統(tǒng)及試驗(yàn)方法[J].華北電力技術(shù)，2005，5：33-35.

[4]胡國輝，何為，王科.配電變壓器諧波附加損耗在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（22）：62-67.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.004

2017-05-11

（編輯 李發(fā)榮）

趙思羽，2011年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（自動(dòng)化專業(yè)），從事節(jié)能監(jiān)測評(píng)價(jià)工作，E-mail：yj2zhaosy@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號(hào)技術(shù)監(jiān)督中心技能監(jiān)測評(píng)價(jià)中心，163455。