海上平臺諧波治理與無功補(bǔ)償

【摘要】目前海上采油平臺電網(wǎng)為獨(dú)立小容量電網(wǎng)，各種不同等級的用戶在同一個電網(wǎng)下工作，如強(qiáng)電與弱電、生活與工用、通訊與常規(guī)等，相互影響，存在電網(wǎng)效率低、調(diào)節(jié)能力差、干擾較大和電網(wǎng)容易波動等問題，此時應(yīng)采取諧波治理并進(jìn)行無功補(bǔ)償（提高功率因素）等措施以保證電網(wǎng)正常工作。

【關(guān)鍵詞】效率；諧波；功率；補(bǔ)償

一、海上平臺電網(wǎng)特點(diǎn)及問題

1、獨(dú)立電網(wǎng)，各種不同等級的用戶在同一個電網(wǎng)下工作、相互影響大。2、平臺整體的容量小（一般小于10MVA），調(diào)節(jié)能力差、安全余量小。3、感性負(fù)載比例高，主要為電機(jī)，其滿載率較低，功率因素低，電網(wǎng)效率低。4、發(fā)電機(jī)多為燃?xì)饣虿裼蛢捎猛钙桨l(fā)電機(jī)，功率較小，而單個負(fù)載的功率相對比例較大，易引起電網(wǎng)的波動。5、用電設(shè)備種類多，干擾源較多，屬自用電網(wǎng)，無專門的電能質(zhì)量監(jiān)測與措施。6、整體電能質(zhì)量差，電網(wǎng)不穩(wěn)定。（特別是大負(fù)載起動時引起電壓波動）7、諧波含量高，功率因素低帶來一系列的問題，如影響用電設(shè)備的效率及使用壽命，損耗大，在一些平臺導(dǎo)致測量、通訊等設(shè)備不正常工作。8、平臺各種設(shè)備之間不匹配，帶來資源浪費(fèi)的同時擴(kuò)展性能差。

二、電力諧波與無功功率

在電力系統(tǒng)中，由非線性裝置引起的波形畸變或非正弦波形統(tǒng)稱為電力諧波。

其產(chǎn)生的原理是線性負(fù)載電壓與電流成正比，而非線性負(fù)載所加的電壓與電流不成正比，因此帶來電流的畸變。

諧波的來源一般有：整流設(shè)備（變頻設(shè)備、UPS電源、開關(guān)電源等）、電弧設(shè)備（電焊機(jī)、電弧爐等）、不平衡的負(fù)載、變電設(shè)備（如變壓器—鐵芯磁化曲線并不是線性）；對于平臺而言主要的諧波來源是整流設(shè)備所帶來的諧波（如變頻器等設(shè)備）。諧波對電網(wǎng)、供電設(shè)備、用電設(shè)備都會造成較大程度的危害。

無功功率是由感性電子設(shè)備在運(yùn)行過程中建立交變磁場，保證電能的轉(zhuǎn)化或傳遞而不做功的電能，其原理是電機(jī)勵磁實(shí)質(zhì)是電機(jī)的定子繞組建立磁場的過程，繞組和定子鐵芯組成了電感，而電感作為一種儲能設(shè)備，本身耗能小，因此電機(jī)和電網(wǎng)之間就形成了一種充放電流，這種電流不做功，故稱無功電流，特點(diǎn)是：

1、與所加的電壓成90度相位角。

2、需要有專門的設(shè)備提供。

3、占用設(shè)備資源，并在路程中產(chǎn)生損耗。

4、對發(fā)電機(jī)和變壓器等帶來影響。是鐵損的主要來源。

5、對平臺而言主要是影響到電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和能耗。

電網(wǎng)中無功功率和諧波電流通常是同時存在，有一定的共性，在進(jìn)行無功補(bǔ)償或進(jìn)行諧波濾波時要同時考慮這兩個因素。在系統(tǒng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償時，需要對電網(wǎng)的諧波分量進(jìn)行評估，避免因諧波帶來電網(wǎng)的振蕩。當(dāng)系統(tǒng)中進(jìn)行諧波濾波時，需考慮電網(wǎng)中的無功功率的需求，避免因加入諧波濾波器而帶來電網(wǎng)的過補(bǔ)；大多數(shù)情況下，無功補(bǔ)償和諧波濾波都采用LC無源濾波網(wǎng)絡(luò)，但所需的配置和參數(shù)因不同的電網(wǎng)要求有所不同；對平臺電網(wǎng)來說，應(yīng)本著就近就地補(bǔ)償和濾波的原則進(jìn)行處理。

三、變頻諧波的機(jī)理分析

由于變頻器作為潛油電機(jī)的地面控制設(shè)備用于油井的調(diào)產(chǎn)具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)被大量應(yīng)用于海上平臺采油。但這也帶來了另一個問題，即在一個小的獨(dú)立電網(wǎng)中大量集中應(yīng)用變頻器會產(chǎn)生嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，影響到其它設(shè)備的正常運(yùn)行。這個問題已經(jīng)在一些平臺出現(xiàn)，因此變頻器所形成的諧波為平臺電網(wǎng)諧波的主要來源。因此有必要對變頻器的諧波機(jī)理進(jìn)行分析。

變頻器諧波分量是用諧波值和基波的百分比表示的：

不同生產(chǎn)廠家變頻諧波分量有所不同，但總的諧波分量都大于40%。關(guān)于諧波有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE519）：

關(guān)于功率因素國家也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，按電網(wǎng)電壓等級分：10KV以上的電網(wǎng)，用電高峰時功率因素不得低于0.95；對低壓電網(wǎng)，按不同的用戶進(jìn)行區(qū)分：工業(yè)用戶，用電量在100KVA以上的，功率因素應(yīng)大于0.90，其它工業(yè)用戶，功率因素應(yīng)大于0.85，農(nóng)業(yè)用電，功率因素大于0.8。

四、解決方案

諧波治理：當(dāng)電網(wǎng)諧波超出一定值后，就必須用諧波濾波器進(jìn)行濾波。針對海上平臺主要為變頻器整流諧波的特點(diǎn)，可應(yīng)用無源諧波濾波器進(jìn)行5次和7次等特定頻率進(jìn)行濾波；在選擇無源濾波時應(yīng)考慮平臺實(shí)際的功率因素和總的無功功率，這是由于在進(jìn)行濾波時也會進(jìn)行無功補(bǔ)償，設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會造成過補(bǔ)或電網(wǎng)波動。其基本原理是應(yīng)用電感與電容的儲能特性，并互成180度相位差，形成對特定諧波頻率的諧振，達(dá)到對某一特征頻率的低阻抗陷井，從而濾除這個諧波。

當(dāng)諧波成份復(fù)雜，電網(wǎng)污染嚴(yán)重或要求較高的場所，可以選用有源濾波器治理電網(wǎng)的諧波，其原理是實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)的諧波，通過逆變產(chǎn)生一個反向的補(bǔ)充電流，動態(tài)濾除電網(wǎng)中的諧波。

無功補(bǔ)償：對于電網(wǎng)中功率因素低的問題有多種措施，但主要的是采用功率因素補(bǔ)償；對工業(yè)電網(wǎng)依照原則為：分散與集中結(jié)合、高壓低壓結(jié)合、電網(wǎng)和用戶結(jié)合；工業(yè)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)娜萘渴且耘潆娮儔浩鞯娜萘繛榛A(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合應(yīng)達(dá)到的功率因素指標(biāo)進(jìn)行無功補(bǔ)償配置。根據(jù)平臺電網(wǎng)的特點(diǎn)：應(yīng)以低壓無功補(bǔ)償為主，按電網(wǎng)的實(shí)際情況根據(jù)需要進(jìn)行配置。在進(jìn)行無功補(bǔ)償時應(yīng)充分考濾平臺電網(wǎng)諧波的影響。

五、結(jié)論

諧波治理：達(dá)到國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本消除電網(wǎng)諧波，保證電網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

無功補(bǔ)償：對于平臺來說，進(jìn)行無功補(bǔ)償主要體現(xiàn)以下幾方面的受益：

1、電網(wǎng)增容： 對一個4000KVA的中小型平臺電網(wǎng)，按0.8的綜合功率因素計(jì)算，則其滿載的最大功率為：3200KW，將功率因素提高到0.95，則滿載功率為3800KW，電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)載能力提高600KW，提高約15%。

2、節(jié)電：仍以4000KVA的電網(wǎng)為例，在功率因素為0.8時，實(shí)際功率為3200KW；如功率因素提高到0.95，此時電網(wǎng)功率只需輸出3368KW就可保證實(shí)際功率為3200KW，可節(jié)約632KW的電網(wǎng)容量。

3、降低能耗：無功電流不對負(fù)載做功，但在電網(wǎng)中會產(chǎn)生真實(shí)的損耗，并表現(xiàn)為熱能形式，導(dǎo)致設(shè)備溫升增加、壽命和容量降低。就變壓器而言，每經(jīng)過一級變壓器，將產(chǎn)生1.5%左右的損耗。（這主要與變壓器的的磁滯、渦流和阻抗壓降有關(guān)）。仍以4000KVA的電網(wǎng)為例：海纜電阻率為0.27歐/KM（共3.52KM），電壓10.5KV，則滿載電流220A，當(dāng)功率因素提高到0.95時，電網(wǎng)僅需輸出3368KW此時滿載電流為：185A，因此降電流35A，海纜損耗減小約40KW，變壓器損耗減小約：29KW，其它不計(jì)，共減小損耗69KW。