石油平臺諧波抑制措施的選擇

徐建東

（海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451）

1 番禺項目主要諧波源概況

海洋石油開采普遍采用電潛泵方式，由于在石油平臺開采期間井下油藏的壓力、流量等參數會隨著開采逐年產生變化，為達到理想的開采效果，電潛泵普遍采用變頻器進行控制。

番禺油田位于中國南海，番禺項目有一個大型生產平臺，生產井口為30口。根據采油工藝要求，平臺機采方式采用電潛泵，單井電潛泵地面控制設備全部選擇一對一變頻器，功率以 630kVA為主。平臺所有井口電潛泵由4臺獨立的10500/480V變壓器分4段低壓母排進行供電。在平臺正常生產工況，電潛泵負荷最高達到約 8100kW，占到平臺總負荷的55%左右，由于平臺采油大量集中采用變頻器，而變頻器含有大量輸入諧波，對平臺電網帶來污染，因此在平臺正常生產時由電潛泵變頻器產生的諧波畸變是相當嚴重的。

2 諧波治理的主要措施

針對番禺平臺采油電潛泵變頻設備多，占平臺負荷比重大的情況。在番禺項目電氣系統設計初期，針對海洋平臺常用的諧波濾波措施，結合項目業主對諧波的限定要求以及平臺總體空間布置、費用預算等條件，設計院進行了大量的方案比選工作，主要方案如下：

（1）六脈沖整流變頻器加無源濾波器。

（2）六脈沖整流變頻器加有源濾波器。

（3）十二脈沖整流變頻器。

（4）十二脈沖整流變頻器加無源（或有源）濾波器。

（5）IGBT整流變頻器。

由于變頻器對于電網而言主要是電流諧波，因此方案的比較以電流諧波為分析對象。外方業主結合IEEE519標準提出電流諧波含量控制在5%的嚴格限制，在此基礎上各方案簡要分析如下：

2.1 六脈沖整流變頻器加無源濾波器

由于通用六脈沖整流變頻器的電流諧波含量一般都大于35%，因此采用無源諧波濾波器對變頻器的輸入諧波電流進行濾波，減小變頻諧波對電網的污染。此方案在變頻器輸入端加入一臺無源諧波濾波器，針對5、7、11、13次諧波進行濾波，可以達到電流諧波含量小于5%的限定要求。

此方案大多應用于小功率變頻器的輸入端，當變頻器總的功率較小，平臺井數少，又存在大功率的無功消耗的場合，在濾除諧波的同時又提高了電網的功率因數。但對于大功率變頻器來說，無源濾波器的功率大，補償的無功功率也大，當平臺主要的負載為變頻器時，過多的無功會形成過補，其結果可能會引起電網無功過剩，發電機進相運行，如果發電機的勵磁繞組采用自勵方式，很容易產生電樞正反饋效應，發電機輸出電壓會異常升高，導致發電機進入保護狀態而停機。

經計算一臺 630kVA的六脈沖整流變頻器需配置的無源濾波器的無功容量約為260kvar，按照平臺30口井為例，總無功容量約780kvar。如果采用該方案則需要在平臺電網中考慮增加低壓電抗器的設計。

2.2 六脈沖整流變頻器加有源濾波器

有源濾波器是以諧波電流大小進行計算的，一臺480V的630kVA的六脈沖整流變頻器，基波電流約為 601A，總的諧波電流約為基波電流的 40%左右，則需要的有源濾波器的電流約為240A，對于單平臺以30口井計算，則需要的總電流約7200A，則需配備24臺300A有源濾波器。

該方案可將電流諧波嚴格控制在5%以內，但由于采用并聯有源濾波器，因此需要為每一個有源濾波器增加配電開關，增加了空間布置要求，同時有源濾波器相對費用昂貴。

2.3 十二脈沖整流變頻器

較高脈沖數的變頻器通常由兩個或者更多的六脈沖整流變頻器經特殊相位移動的并聯變壓器組合而成。一般的，一個p脈沖整流變頻器可以由p/6個六脈沖整流變頻器構成，這些六脈沖整流變頻器是通過一個（p/6+1）繞組的變壓器（p/6個雙繞組變壓器或p/12個三繞組變壓器）供電的。變壓器二次繞組之間的相位移為360°/p。對應的p脈沖整流變頻器的特征諧波為pn±1。

按照目前市場上主流的工業變頻器，六脈沖整流變頻器電流諧波含量大于35%，十二脈沖減小到8%左右，二十四脈沖能夠減小到5%以內。

考慮到真二十四脈沖設備配置復雜，價格昂貴的缺陷，番禺項目初期考慮采用虛擬二十四脈沖的方案。即每臺電潛泵變頻器采用十二脈沖整流變頻器，每臺變頻器輸入端配獨立的十二脈沖專用三繞組移相變壓器，每兩臺專用三繞組移相變壓器網側繞組分別采用±7.5°外延三角形聯接，從而達到虛擬二十四脈沖的效果，使低壓供電母排電流諧波含量控制在 5%以內。真24脈沖和虛擬24脈沖基本結構見圖1。

圖1 虛擬24脈沖和真24脈沖基本結構圖

但該方案通過分析后最終被否定，原因在于海洋石油平臺上的生產采油井開采順序不是確定不變的，隨著油藏地質的變化，電潛泵的運行順序會經常進行調整，因此虛擬二十四脈沖的效果很難得到保證。

2.4 復合方案（十二脈沖加無源濾波或有源濾波）

在采用十二脈沖整流變頻器方案的基礎上，在低壓供電母排靠近主變壓器側加裝一臺或兩臺無源濾波器（也可考慮有源濾波器），專門針對11次、13次諧波進行濾波，這樣既能夠減小成本，又能保證電網諧波達到小于5%的要求。

根據計算可以得到單臺 630kVA的十二脈沖整流變頻器的總諧波含量為 7.58%，其中 11次為6.37%，13次為 3.57%。進一步計算選型后，確定需為每段低壓母排配一臺80kvar無源濾波器專門針對11次和13次諧波進行濾波（或配一臺200A有源濾波器）

此方案結合了十二脈沖與濾波處理兩種應用，實現了總的諧波降低的同時，成本控制在預算費用內，相對性價比最高。

2.5 IGBT整流變頻器

由于IGBT可以應用PWM方式進行整流，每次對直流的充電時間都很小，其載波頻率可為4kHz，因此在其輸入端加上一個標準電抗和濾波電容，即可使變頻器諧波直接達到5%以內的要求。

但IGBT整流變頻器的最大缺點是價格昂貴，超出預算費用。

3 方案綜合對比

通過前面的分析，同時結合空間布置和費用預算，各種方案綜合對比簡要如表1所示。

4 結論

綜合各方案對比分析，最終番禺項目采用性價比最高的十二脈沖整流變頻器加無源濾波器的方案。該方案在滿足諧波限定條件的同時，在設備空間布置，費用上相對其他方案均存在優勢。

通過以上分析可以看出，隨著科技的發展，適用于海洋平臺電力系統的諧波濾波方案存在多樣性。高新技術產品往往可以達到理想的諧波治理效果，并且空間布置較小。但其昂貴的費用是一般項目投資方難以接受的。因此根據平臺變頻設備具體信息、諧波限定標準、平臺電力系統的規模、平臺空間大小、項目費用預算等限定條件，合理選擇性價比最高的方案才是設計的最終目的。

表1 方案綜合對比表

[1] George J. Wakileh (奧地利)，徐政譯. 電力系統諧波—基本原理、分析方法和濾波器設計[M].北京:機械工業出版社,2003.

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[4] 溫伯銀.諧波治理的方法[J].建筑電氣,2007(8).

[5] 李達義,陳喬夫,賈正春.電力系統諧波源的種類和濾波方法綜述[J].電氣傳動,2005,35(12).