海上平臺諧波濾波設(shè)計

張 強，于 聃，張麗娜

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海上平臺諧波濾波設(shè)計

張 強，于 聃，張麗娜

（中海油研究總院，北京 100028）

本文介紹了海洋平臺諧波的產(chǎn)生與治理,并以渤海某油田項目實例，給出如何根據(jù)諧波分析的計算結(jié)果來選擇濾波方案。通過對有源濾波器和無源濾波器兩種方案的比較，給出適用于海上平臺的消諧方案和提高海上平臺電網(wǎng)質(zhì)量的建議。

有源濾波器 無源濾波器 諧波治理 變頻器 無功功率

0 引言

近年來海上石油平臺為適應(yīng)地層工藝采油方式對液量不斷變化開采的要求，油田鉆采系統(tǒng)與油氣集輸系統(tǒng)的驅(qū)動裝置逐步由恒速的交流電動機傳動改為利用變頻器進行調(diào)速的電氣傳動系統(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

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

1.2 諧波標準

為了降低上述風險，我國國家標準GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中對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 注入公共連接點的諧波電流允許值

1.3 諧波治理方法

針對諧波產(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） 采用有源或無源濾波器進行濾波。

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

2 諧波分析及濾波器選型方案對比

2.1諧波分析計算

本實例以渤海某油田項目來說明海洋平臺諧波治理的解決方案，WHPB平臺不設(shè)主電站，其用電來自13 km外的電站平臺。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平臺配有兩臺6.3/0.4 kV 變壓器, 分別為平臺的工藝、公用及電潛泵負荷供電，每臺變壓器所帶的最大計算負荷如表3所示，其中電潛泵采用的是一對一變頻控制，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 平臺用電負荷統(tǒng)計表

使用ETAP“諧波潮流計算”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。通過計算可以看到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段的進線諧波電流結(jié)果分別見表4、表5，其電壓、電流諧波畸變率遠超過IEEE519和國標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

海上石油平臺中針對電潛泵諧波抑制通常采用“一對一的變頻器加無源濾波器”或“有源濾波器”方案，以下分別就兩種方案分別闡述。

2.2.1無源濾波器方案

無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)需要補償無功功率和濾除諧波[3]，其系統(tǒng)圖如圖2所示。每一臺施耐德變頻器均配置了同等容量的前置無源濾波器，本項目共需要配置16套前置無源濾波器。

圖2 電潛泵“無源濾波方式”

圖注：①160 kW變頻器②250 kW變頻器③無源濾波器⑤公控盤

2.2.2有源濾波器方案

有源濾波器采用基于瞬時無功功率理論的檢測技術(shù)和IGBT功率變換裝置,實時檢測諧波電流,通過瞬時電流跟蹤控制,自動跟蹤電網(wǎng)諧波變化,通過IGBT逆變出與系統(tǒng)諧波大小相等相位相反的補償電流，實現(xiàn)消除諧波的功能，具有高度可控性與快速響應(yīng)性，在負載突變的情況仍然具有良好的諧波補償效果[4]，其系統(tǒng)圖如圖4所示。每段母排的諧波計算電流均不超過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，簡單靈活、體積小巧、安裝便捷，每個模塊獨立工作，通過數(shù)字信號處理器（DSP）的控制同時濾除多種選定的諧波、并可進行無功功率補償和三相不平衡補償。

有源濾波器可以對整個電網(wǎng)的設(shè)備進行諧波治理，而無源濾波器只能解決個別設(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，它的無功補償能力也將提高平臺供電系統(tǒng)地效率，提高電能利用律。對兩種濾波方式分別進行電潛泵控制間布置，有源濾波器布置方案（圖5）要比無源濾波器布置方案（圖3）節(jié)省面積20%，更有利于平臺的總體布置，因此海洋石油平臺應(yīng)用有源濾波器比無源濾波器更具有優(yōu)勢。

圖3 電潛泵“無源濾波器布置方案”