海上平臺諧波濾波設計

張 強，于 聃，張麗娜

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海上平臺諧波濾波設計

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生與治理,并以渤海某油田項目實例，給出如何根據諧波分析的計算結果來選擇濾波方案。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質量的建議。

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，油田鉆采系統與油氣集輸系統的驅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速的電氣傳動系統。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，向電網中注入了大量的高次諧波。諧波的表現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

海上平臺電力系統通常由發電機、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備產生附加損耗，使電氣設備的溫度、振動和噪聲升高。諧波電流還會對繼電保護裝置、自動化控制裝置產生干擾，引起繼電保護裝置的誤動，此外諧波產生的諧振過電壓過大還會造成電網設備的損壞，因此諧波對于海上平臺電力系統的影響不容忽視。

1.2 諧波標準

為了降低上述風險，我國國家標準GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》中對電壓和電流諧波分量作出了具體規定，如表1和表2所示。

表1 公用電網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或脈沖數，減少換流裝置產生的諧波電流。

2） 使用隔離變壓器為非線性設備集中供電[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的接入點。高壓電網的短路容量大，有承擔較大諧波的能力，宜把諧波產生容量大的設備接入到高一級電網的母線。

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平臺不設主電站，其用電來自13 km外的電站平臺。該油田的電力系統如圖1所示。

圖1 油田設施電力系統圖

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套變頻器產生了大量的諧波電流，惡化了電源質量。WHPB平臺0.4 kV母線電壓畸變結果以及0.4 kV母線LA段、LB段的進線諧波電流結果分別見表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 母線電壓畸變結果

表5 變壓器二次側諧波電流結果

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、電阻器串聯而成。濾波器并聯在含有諧波的電網上，根據需要補償無功功率和濾除諧波[3]，其系統圖如圖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,自動跟蹤電網諧波變化,通過IGBT逆變出與系統諧波大小相等相位相反的補償電流，實現消除諧波的功能，具有高度可控性與快速響應性，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的設備進行諧波治理，而無源濾波器只能解決個別設備產生的諧波，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）節省面積20%，更有利于平臺的總體布置，因此海洋石油平臺應用有源濾波器比無源濾波器更具有優勢。

圖3 電潛泵“無源濾波器布置方案”