海上平臺電力系統(tǒng)諧波的分析及治理

導(dǎo)語：海上平臺電力系統(tǒng)諧波的分析及治理一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文通過對某海上石油平臺電力系統(tǒng)諧波進行分析和治理，旨在節(jié)能降耗、改善平臺電能質(zhì)量的同時，提高電氣元器件的運行環(huán)境，保障平臺電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：諧波檢測;有源濾波器;諧波治理

某海上石油平臺電力系統(tǒng)由2臺燃氣發(fā)電機組成，單臺發(fā)電機容量為550kV，正常生產(chǎn)情況下，一臺發(fā)電機單獨運行；啟動大功率負載時，2臺發(fā)電機并網(wǎng)運行。平臺電力系統(tǒng)的主要負載有海水泵、空壓機、吊車、電伴熱、照明以及一些小功率加熱器。隨著平臺油氣不斷開發(fā)，石油天然氣的地層壓力降低，油井自噴能力下降，為提高采收率，在增加采油電潛泵的同時，也需要增加地面變頻設(shè)備。地面變頻設(shè)備投入使用后，電力系統(tǒng)繼電保護裝置開始出現(xiàn)頻繁誤動作。經(jīng)過分析、試驗和測量后發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)內(nèi)諧波含量超出了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并已影響到平臺電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文以該海上石油平臺為例，主要介紹平臺電力系統(tǒng)諧波分析與治理的過程。

1諧波來源

諧波一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。當(dāng)正弦波電壓施加在非線性負載上時，會因為振蕩等其它原因產(chǎn)生非正弦波電流，含有非正弦波電流的電路中就會有諧波產(chǎn)生。在平臺上，諧波產(chǎn)生的主要來源有發(fā)電機、電力變壓器和電力電子設(shè)備。1.1發(fā)電機。發(fā)電機三相繞組的非絕對對稱性，導(dǎo)致其在運行過程中會產(chǎn)生少量諧波。1.2電力變壓器。設(shè)計電力變壓器時，為追求利益最大化，通常將運行工作點設(shè)置在臨近飽和區(qū)的拐點位置。變壓器投入運行后，較高的鐵心飽和度使其工作點偏離了線性曲線，磁化電流波形不能保持為正弦波，而是呈現(xiàn)出尖頂波形狀，這樣就會產(chǎn)生一定量的奇次諧波。同時，非正弦波形的勵磁電流，也會產(chǎn)生一定量的諧波。1.3電力電子設(shè)備。隨著海上石油平臺從自動化向智能化快速發(fā)展，大量電力電子設(shè)備開始廣泛投入應(yīng)用。平臺上的電力電子設(shè)備主要有：變頻器、蓄電池充電器、鹵化物燈、不間斷電源及應(yīng)急電源、電腦、傳真機、復(fù)印機、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電磁爐和電磁灶等。在電力電子設(shè)備大量使用之前，最主要的諧波源是變壓器，其次是發(fā)電機，但是隨著電力電子設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，電力系統(tǒng)內(nèi)的變頻、整流設(shè)備成為了最主要的諧波源。

2諧波的危害

諧波在電力系統(tǒng)中具有很大的破壞性，主要表現(xiàn)為以下幾點。諧波對供電設(shè)備的危害：增加發(fā)電機和變壓器的損耗，使設(shè)備溫度升高，造成過熱損壞，降低發(fā)電機和變壓器的運行效率；增加電纜溫度，加快絕緣老化速度。諧波對用電設(shè)備的危害：擾亂敏感性較強負載的正常運行，使這類負載容易產(chǎn)生誤動、使電子設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生錯誤，電子式儀表測量誤差增加，計量混亂；使保護裝置產(chǎn)生誤動、拒動，使自動控制系統(tǒng)失效；使交流電機振動增大，產(chǎn)生不正常的聲音；對電路產(chǎn)生電磁干擾，產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，嚴(yán)重時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。諧波對電網(wǎng)的危害：諧波會使電能的質(zhì)量指標(biāo)變差，波形越來越遠離正弦波；還增加電網(wǎng)運行電流、消耗電網(wǎng)中的無功功率，增加電網(wǎng)的負擔(dān)。

3諧波檢測

根據(jù)平臺設(shè)備容量、特性和負載變化情況，初步判定平臺電網(wǎng)諧波主要由2臺新增變頻器產(chǎn)生，現(xiàn)使用FLUKE125對平臺電網(wǎng)進行諧波檢測，并對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行了記錄。

4數(shù)據(jù)分析

通過對諧波檢測結(jié)果進行分析，得到以下結(jié)論：變頻器運行前，平臺電網(wǎng)存在諧波，THDu%=0.33%，THDi%=10.7%，諧波含量少，對整個網(wǎng)絡(luò)有一些影響；運行一臺變頻器，變頻器對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的電流諧波較大，THDi%=55.5%；2臺變頻器同時運行，THDi%=53.3%，變頻器對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的電流諧波相對于變頻器單臺運行時變化不大；2臺變頻器同時運行，變頻器對電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的電壓諧波有顯著變化，由17.3%增大為30.9%。2臺變頻器同時運行，均向平臺電網(wǎng)中輸送大量諧波，整合至整個平臺電網(wǎng)后，電網(wǎng)電壓和電流都發(fā)生了畸變，電壓畸變率為27.5%，電流畸變率為53.3%，已經(jīng)影響平臺其他設(shè)備的正常運行。同時電網(wǎng)中還存在大量高次諧波，對用電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的元器件造成了嚴(yán)重的影響，對設(shè)備也造成了一定程度的損傷。為避免或者降低諧波對設(shè)備的影響和損傷，需要對平臺電網(wǎng)進行諧波治理。

5方案選擇

目前諧波治理的措施主要有3種：一是受端治理，從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高其抗諧波干擾能力；二是主動治理，從諧波源本身出發(fā)，降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動治理，在諧波源與公共電網(wǎng)的連接之間加裝諧波濾波裝置，將諧波源產(chǎn)生的諧波濾除或抵消，從而阻止諧波注入公共電網(wǎng)。目前低電壓領(lǐng)域應(yīng)用最多的是被動治理措施，被動治理措施主要采用加裝無源和有源濾波器2種方式。5.1無源諧波濾波器。無源濾波器（PassivePowerFilter）簡稱PPF，主要由電阻、電容和電感組成[1]。通過不同組合，對特定諧波形成一條低阻通道，讓特定的諧波流入無源濾波器內(nèi)，保證電網(wǎng)電質(zhì)的純凈，達到對特定諧波的抑制。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，價格低，但是一臺變頻設(shè)備需要配置一臺無源濾波器，在結(jié)構(gòu)緊湊、“寸土寸金”的海上石油平臺，無源濾波器的性價比優(yōu)勢，因為其占用空間大的缺點而大大降低[2]。無源諧波濾波器選型上要求濾波器額定電流必須與被治理設(shè)備額定輸入電流相等，并調(diào)諧某個特定諧波頻率，只能消除固定的諧波，受電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)影響較大。5.2有源濾波器。有源濾波器（ActivePowerFilter）簡稱APF，主要由控制器、逆變器和電容器組成，工作時須要提供外部工作電源。有源濾波器通過檢測負載側(cè)的電流及電壓信號，并將檢測到的模擬信號通過內(nèi)部指令電流運算電路和電流跟蹤控制電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將電路中的諧波與基波進行分離，并向補償電流發(fā)生回路輸出驅(qū)動脈沖，控制IGBT生成與諧波電流幅值相等，方向相反的補償電流并注入到含有濾波的回路，補償電流是根據(jù)電網(wǎng)中的諧波分量動態(tài)變化的，不會出現(xiàn)過補償，而且有源濾波器內(nèi)部有過載保護功能，當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)諧波分量大于有源濾波器提供的補償容量時，濾波器過載保護功能啟動，限制有源濾波器的輸出容量，起到保護濾波器的功能。5.3特性比較。解決電網(wǎng)諧波污染問題的傳統(tǒng)方法是釆用無源濾波器，但由于易受電網(wǎng)參數(shù)影響，且只能補償固定頻率的諧波等缺點，已逐漸不能滿足諧波污染治理方面的要求。有源濾波器克服了無源濾波器的固有缺陷，具有高度可控性和快速響應(yīng)特性，能動態(tài)跟蹤補償電力系統(tǒng)的各次諧波，動態(tài)特性優(yōu)良。有源濾波器比無源濾波器運行穩(wěn)定，使用年限長，設(shè)備體積小，可實現(xiàn)彈性的容量配置和后續(xù)的容量擴展，而且具備主動消除諧波能力。非常適用于整體結(jié)構(gòu)緊湊，可利用空間十分有限，電網(wǎng)容量較小的海上平臺。

6濾波器安裝運行

根據(jù)平臺測量諧波數(shù)據(jù)，分析計算得出平臺電網(wǎng)諧波電流約為152~212.8A，初步選用有源濾波柜的額定電流為200A。為了后期可以繼續(xù)擴容，開關(guān)容量選擇為630A的框架斷路器。有源濾波器安裝投用后，現(xiàn)場同時啟動2臺變頻器，通過有源濾波設(shè)備集中監(jiān)控屏，監(jiān)測APF開機之前與開機之后的數(shù)據(jù)，并進行詳細的記錄。由記錄數(shù)據(jù)可知，有源濾波器開啟前，電壓畸變率27%，電流畸變率53%，不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電壓畸變率低于5%的要求；APF設(shè)備開啟后，電壓畸變率降低到1.7%，電流畸變率3.5%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，APF設(shè)備投入使用后諧波治理效果明顯。有源濾波器運行期間，平臺電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定，沒有再發(fā)生繼電保護裝置誤動作事故。

7結(jié)束語

新增2臺電潛泵變頻器運行產(chǎn)生的大量諧波，不僅降低了電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，還引起了繼電保護誤動作。利用新技術(shù)通過安裝有源濾波器，有效地改善了平臺電網(wǎng)的質(zhì)量，降低了電壓電流畸變率，解決了平臺電網(wǎng)存在的諧波問題，為平臺電站安全穩(wěn)定運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳月平.電能質(zhì)量治理[J].電氣工程應(yīng)用，2008.（2）：26-32.

[2]邱銀鋒.海洋石油平臺電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀與諧波治理[J].科技與創(chuàng)新，2016（4）：1-2.

作者:劉志強 單位:中海石油(中國)有限公司天津分公司