油田電網(wǎng)的諧波治理

劉保迎

(大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心,黑龍江 大慶 163453）

油田生產(chǎn)設(shè)備中存在大量沖擊性和波動性負荷，它們在運行中產(chǎn)生高次諧波，常會使電壓波動、閃變，甚至導致三相不平衡。隨著電力電子技術(shù)的廣泛應用與發(fā)展，調(diào)速變頻器在各種機泵運行中得到了廣泛應用，在降低能耗的同時導致了電壓波形畸變，產(chǎn)生了大量諧波，造成電網(wǎng)二次污染。在削弱和干擾電網(wǎng)經(jīng)濟運行的同時，常發(fā)生設(shè)備非正常啟停,使設(shè)備自身安全性降低，電力計量儀表的誤差增大。通過諧波治理，可以保證電力設(shè)備安全經(jīng)濟運行。

1 油田配電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)狀

通過對80座變電所母線（6 kV）進行諧波測試了解到油田配電網(wǎng)諧波污染的現(xiàn)狀如下:

(1)有78座諧波電流及電壓均在國標限值之內(nèi)，主導諧波為5次、7次，超標率為2.5%。這與高壓側(cè)變壓器短路容量大，而且變電所距離諧波源距離比較遠，與諧波的衰減有關(guān)。

(2)共測試 218條饋出線，有13條饋出線諧波電流超國標限值,超標率6%。這些饋出線諧波電流超標的主要原因在于這些饋出線所帶低壓負荷安裝了換流設(shè)備（變頻器為主）。

(3)安裝了低壓變頻裝置測試點的諧波電流或電壓超標問題比較突出。

所測試的36臺變頻器中有27臺諧波數(shù)據(jù)超標，超標率達到75%。杏北二十四變電所周邊地區(qū)測試的7座注入站，諧波數(shù)據(jù)全部超標，其中1#注入站4次諧波電流超標55%(國標限值 39 A,測試值60.34 A)，2#注入站電壓總諧波畸變率超標56%(國標限值5%,測試值7.8%)。

2 諧波治理技術(shù)

油田目前的諧波抑制措施主要包括主動治理及被動治理，此處研究的諧波治理配套方案屬于被動治理范圍。通過對系統(tǒng)中已經(jīng)存在的諧波進行治理，使電網(wǎng)受到的影響減到最小。

2.1 無源濾波

2.1.1 無源濾波原理

無源濾波器利用電路的諧振原理。當發(fā)生對某次諧波的諧振時，對該次諧波形成低阻通路，對相應頻率諧波電流進行分流，達到濾波的目的。結(jié)構(gòu)上利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成濾波電路，可濾除某一次或多次諧波。最普通且易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)[1]。

無源濾波器的設(shè)計主要考慮其諧振頻率及電容器耐壓、電抗器耐流。首先根據(jù)系統(tǒng)所需補償容量確定電容器容量，這樣可以得知電容器阻抗，再根據(jù)系統(tǒng)諧波情況確定諧振頻率，如為5次諧波，一般諧振頻率在240～248之間，由諧振頻率可得知電抗器的感抗值。電容器耐壓應考慮基波電壓、電抗器的壓升、諧波電壓；電抗器耐流需考慮基波電流、諧波電流。

2.1.2 無源濾波優(yōu)缺點

由于無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，運行費用低，吸收高次諧波效果明顯，在油田生產(chǎn)中得到廣泛應用。根據(jù)諧波治理有關(guān)要求，每臺變頻器自身須有諧波處理裝置，生產(chǎn)廠家為降低成本，大都使用LC單調(diào)諧濾波器。

無源濾波器在油田中使用的諧波治理效果并不好，經(jīng)常處于關(guān)停狀態(tài)。其主要原因在于：

(1)抑制低次諧波的單調(diào)諧波濾波器只對調(diào)諧點的諧波治理效果明顯，對偏離調(diào)諧點的諧波無效果；

(2)當油田根據(jù)生產(chǎn)調(diào)整運行負荷，新增或減少運行設(shè)備時，系統(tǒng)阻抗和頻率產(chǎn)生波動，無源濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使裝置無法正常運行；

(3)當系統(tǒng)運行負荷增大時,系統(tǒng)諧波電流隨之增大,無源濾波器可能過載，導致?lián)p壞。

由于無源濾波器原理上帶來的不足無法徹底克服，因此有必要嘗試采用其他方式抑制諧波。

2.2 有源濾波

2.2.1 有源濾波原理

有源濾波器實際上是一個諧波發(fā)生器，它通過實時檢測電網(wǎng)上的負載產(chǎn)生的諧波電流,由IGBT逆變器生成一個與負載諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，注入到電網(wǎng)，從而抵消負載諧波，防止諧波電流流入配電系統(tǒng)造成污染，進而保證流向系統(tǒng)的電流是一個理想的交流正弦波形[2]。

有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運算電路檢測出補償對象電流中的諧波電流分量。補償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。補償電流與負載電流中的諧波及無功電流進行抵消，最終得到期望的正弦電網(wǎng)電流。

2.2.2 有源電力濾波器的控制

由有源電力濾波器的基本原理可知，實現(xiàn)有源電力濾波器功能的關(guān)鍵首先在于實時準確地檢測出負載中的諧波電流，其次是補償電流的產(chǎn)生和跟蹤。所以有源電力濾波器控制的核心是諧波檢測和電流跟蹤。

諧波和無功電流的檢測主要采用瞬時無功功率理論檢測方法，此方法能夠更有效地協(xié)調(diào)好諧波電流檢測的實時性和檢測精度之間的矛盾，是目前應用較為廣泛的方法。

產(chǎn)生補償電流的控制方法以滯環(huán)比較控制法為主，它兼有響應速度快、開關(guān)頻率不高以及控制簡單的特點，從而被廣泛應用。

2.2.3 有源濾波優(yōu)缺點

實際應用中，有源濾波器諧波治理效果明顯，能有效抑制系統(tǒng)各次諧波。當系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而影響補償效果。不存在過載問題，當系統(tǒng)諧波電流增大時，裝置仍可運行。其主要問題是結(jié)構(gòu)復雜、成本高，但由于需要額外電源，運行損耗大。

2.3 磁性濾波器

磁性濾波技術(shù)是根據(jù)軟磁材料的特性，在三相品字形磁路對稱結(jié)構(gòu)中，通過繞組和移相連接形成特定的磁路，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理將諧波電能轉(zhuǎn)換為磁能的利用磁場濾波的新技術(shù)。當諧波電流經(jīng)過磁性濾波器時，諧波電流產(chǎn)生的磁場在磁性濾波器特殊品字型磁路結(jié)構(gòu)中被分解為方向相反的磁通，相互抵消，達到消除諧波的目的。

2.3.1 磁性濾波優(yōu)點

磁性濾波器是無源類產(chǎn)品，本身耗能極低，不存在電容器補償，不涉及過補問題，可把諧波消除在沒有做功之前，屬于預防式諧波治理方法。在改善電壓、電流波形的同時提高功率因數(shù)、抑制浪涌和改善三相不平衡。

2.3.2 磁性濾波器應用

對薩北油田16-1注入站3#注入泵進行進行磁性濾波器應用試驗，磁性濾波器串聯(lián)在變頻器入線處，變頻器運行頻率為39 Hz，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

從表1看出：

(1)原變頻器配電回路電壓總畸變率在5.8%，超出了國家標準規(guī)范。治理后，變頻器配電回路電壓總畸變率降到1.73%；

(2)變頻器配電回路5次諧波濾除率為71.27%，7次諧波濾除率為87.56%；

(3)變頻器配電回路的功率因數(shù)由0.68提到0.91；

(4)變頻器配電回路總有效電流值降低了25.21%。

隨著油田電網(wǎng)諧波危害的日益加大，采取正確技術(shù)與措施對電力諧波進行治理越來越重要。磁性濾波器治理諧波效果顯著，在消除諧波、改善電壓和電流波形的同時凈化了配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提高了線路功率因數(shù)；在提高電能質(zhì)量同時降低能耗，在治理電力諧波問題上具有很好的發(fā)展前景。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社,2006.

[2]李華.電力有源濾波器發(fā)展現(xiàn)狀及應用[J].自動化與儀器儀表,2004(5):1-5.

[3]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標準出版社，1994.