有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中的應用研究

吳飛

有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中的應用研究

吳飛

（天津中海油工程設計有限公司）

海上電力系統(tǒng)屬于微電網結構，穩(wěn)定性較差，隨著非線性用電設備不斷投入使用，諧波含量大大增加，嚴重影響了電網電壓的波形質量，危害電網電能質量，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諧波治理方案。并以工程實際案例進行了佐證分析。

海上油氣田；電能質量；諧波治理；有源濾波器

1 引言

海上油氣田電力系統(tǒng)包括電能的產生、輸送、分配和使用，為工藝流程及生活處理設施所需的用電設備進行供電，主要為泵類用電設備。目前由于工藝流程的改進，大型設備如壓縮機、注水泵等改用變頻控制，以及模塊鉆機中的泥漿泵、頂驅等變頻系統(tǒng)，低壓的許多泵類設備也逐漸需要變頻控制，再考慮海上平臺聯網之間海底電纜傳輸影響，無功和諧波問題是趨嚴重。

2 諧波的產生與危害

一般把電力系統(tǒng)中的諧波定義為：一個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倍。探究諧波產生的終極原因無非是非線性負載帶來的。呈線性負載的設備所吸收的電流，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；而對于非線性負載，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。當正弦的基波電壓施加到非線性設備端時，流過設備的電流和端電壓的波形不同，電流發(fā)生畸變，由于設備和電網入端連結，因而諧波電流會進入到是電力電網中，因此這些非線性設備也就是電力系統(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備；類如電弧焊機和電弧爐等這類具有強非線性用電的設備；類如交直流變換的電力電子設備。

諧波含量直接影響電壓波形的對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、傳輸和使用過程中的效率；使用電設備產生過熱、引起噪聲和振動；導致絕緣老化加速，縮短設備壽命，甚至引起故障或損毀；致使電力系統(tǒng)局部產生諧振，放大諧波含量，造成設備毀壞；引起繼電保護裝置不動作或誤動作；還會干擾通訊電子設備等。因此，諧波的危害已經越來越受到重視，對諧波的治理已經刻不容緩。

3 諧波的治理措施

諧波治理的總體思路。諧波的治理應當首先考慮預防，控制好諧波產生的源頭，使系統(tǒng)中產生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進行進一步的治理。因此，在選擇設備和構建系統(tǒng)時，就應該將減小諧波作為一項重要的條件來考慮。例如：整流器中的相位抵消（通過選擇合適的相位移動，由低脈波數整流器構成的高脈波數整流器可以消除諧波）或諧波控制；開發(fā)有效的過程和方法來控制、減小或消除電力系統(tǒng)設備的諧波。

其次，在預防的基礎上，再考慮補救措施。特別是對于既有的用戶低壓系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)結構已經基本固定，諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補救措施得以控制。

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

靜止無功補償裝置的主要作用是用于補償系統(tǒng)過低的無功功率，以改善系統(tǒng)的電壓水平和功率因數，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，但還是多用于設備側，以免受浪涌沖擊的影響，起到減緩系統(tǒng)變化的效果；對于多脈動整流器而言，普通的六脈動整流必然會產生很多諧波，也是現在電力系統(tǒng)中主要的諧波源之一，通過增加脈動數，能夠減少整流過程產生的諧波含量，甚至24脈及其更多脈動數的整流器，能夠達到國家標準要求的入網諧波含量，對其相應的投資成本、體積、有效耗材等都將大大增加，統(tǒng)籌考慮下來，總體優(yōu)勢也許并非最佳，但可以作為實際應用中的一種考慮方案；因為控制形式影響，對于脈沖寬度調制整流裝置而言，某些特征諧波問題可能會較為突出；無源濾波器在很多電網系統(tǒng)中還依然使用，也起到了較為有效的作用，能夠通過特定的電路形式消除系統(tǒng)中的主要次數諧波，也能起到補償系統(tǒng)無功分量的作用，但往往設備本身體積龐大、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諧波。有源濾波器的出現適時地解決了無源濾波器面臨的問題，不僅能動態(tài)追蹤并抑制諧波，諧波有效濾除率高；而且可以補償電網中較低的無功分量，提高電壓水平，且響應速度快；在三相不平衡系統(tǒng)中，能通過補償無功分量校正有功的平衡；適用性強等其他諸多優(yōu)點。因此，研究確定采用有源濾波器作為海上油氣田電網諧波治理的措施。

4 工程實際案例分析

通過對某微電網工程實際案例分析，以六脈動變頻器為例，運用EDSA軟件模擬計算變頻整流設備所產生的諧波源，主要應用諧波分析功能模塊，基于IEEE Std.519標準計算。

圖1 母線電壓、電流波形仿真圖

根據仿真分析，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對普通低壓配電網絡電壓電流畸變極限的要求：低壓電網的電流諧波畸變率不超過5%?？梢娔妇€電流諧波畸變因數超出標準允許范圍，如果不進行諧波治理，不僅增大系統(tǒng)損耗，更會影響電網的穩(wěn)定性。

根據標準要求，通過計算選定容量為500A有源濾波器進行諧波抑制。諧波治理后，諧波含量小于5%，電網入端的電壓和電流波形較為對稱，并趨于正弦化，驗證了有源濾波器設備良好的實際濾波效果。詳見圖2。

圖2 有源濾波器未開啟前、后時的電壓、電流波形圖（分別為左、右圖）

5 總結

在工程實際中，通過對電網實際運行情況的監(jiān)測，分別檢測有源濾波器投入前后的諧波含量及波形頻譜圖，并與EDSA軟件的仿真結果進行對比。其與仿真結果的一致性，驗證了EDSA軟件分析的準確性，也驗證了有源濾波器具備良好的實際濾波效果。為有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中運用的可行性及有效性，提供指導性意見，驗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，不僅能夠動態(tài)跟蹤并補償各次諧波，還能避免諧振、抑制閃變，而且能夠補償系統(tǒng)中的缺乏的無功分量，是非常先進、功能強大的濾波手段。且隨著我國對有源濾波器研發(fā)技術的全面掌握和國內市場的不斷引導，以及有源電力濾波器制造成本的下降，國產設備已逐漸替代國外產品，為其快速發(fā)展迎來契機。但對有源濾波器技術研究方面，仍然需要在諧波檢測、優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略、優(yōu)化內部電路設計及設備的多功能化等領域不斷探索，以期能提高設備運行效率，進一步降低制造成本和設備損耗，并提高設備的可靠性和實用性等。當然，也不能完全忽視其他的濾波手段，針對不同的系統(tǒng)結構，應該采取合適的濾波方案。比如：有源濾波器配備無源濾波器等。此處不再過多贅述，研究學者面臨的問題依然很多，希望對濾波的研究能夠有進一步發(fā)展。

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1004-7344（2016）33-0099-02

2016-11-2