（控制理论与控制工程专业论文）海洋平台电力系统无功补偿及谐波治理应用研究.pdf

摘要 本文以中海油j z 9 - 3 油田电网为研究背景，系统介绍了该地区电网的组成及特点； 根据客户的技术要求并通过大量无功补偿和谐波理论的研究及介绍，分析了海洋平台电 网无功补偿谐波治理的实用方法，并通过比选最终确定了可行方案，提出了利用晶闸管 投切滤波器( t s f ) 对海洋平台电网进行补偿和谐波治理的方案。通过实地检测该地区 海洋平台电网谐波特点和相关技术数据后，对无功补偿和谐波治理方案进行了总体设 计，并利用m a t l a b 的遗传算法( g a ) 工具箱对t s f 的参数进行了优化设计，最后通过 m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，搭建了仿真系统，得出了较好的仿真结果，验证了方案实施 的可行性。 ( 1 ) 介绍了j z 9 3 海洋平台的研究背景和客户的技术要求，在阅读了大量国内外文献 的基础上，总结出了国内外关于电网供电质量及对谐波抑制的基本要求；并总结了无功 补偿和谐波抑制的基本方法； ( 2 ) 针对j z 9 3 海洋平台电网，总结了其基本特点；根据j z 9 - 3 平台海洋环境及气候 的特点，参考中海油方面关于开发j z g - 3 地区w h p a 平台的o d p 报告，总结并提出了 在海上平台中进行补偿和谐波治理时，关于设备选型的具体要求； ( 3 ) 针对谐波现状，提出相应的几种治理措施：1 ) 无源电力滤波器；2 ) 静止无功补 偿器( s v c ) ；3 ) 有源电力滤波器( a p f ) 。再根据电网的实际情况，比较治理措施的优劣， 确定综合治理方案，利用晶闸管投切滤波器( t s f ) 对电网进行补偿和滤波，并进行了方 案设计和理论计算； ( 4 ) 通过在海洋平台实际检测的技术数据，对方案进行了理论计算和分析，并利用 m a t l a b 的遗传算法工具箱对滤波器的参数进行了优化设计，通过m a t l a b s i m u l i n k 工具 箱对补偿滤波系统进行了仿真，分析了晶闸管投切滤波器进行无功补偿和谐波治理时的 效果。 ( 5 ) 总结了海洋油田电网无功补偿和谐波治理课题研究的不足之处，并对后续的研究 进行了展望，从海洋平台空间有限和可靠性出发，提出了采用混合有源滤波的方式或者 三调谐滤波器对海洋平台电网电能质量进行治理的思路。 关键词：晶闸管投切滤波器；电力电子；海洋平台；谐波；电力滤波器；电力系统 a b s t r a c t 抄 t h ep a p e rt a k e st h ep o w e r 鲥do fc n o o cj z 9 - 3o i lf i e l da sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n d a n dc o m p o s i t i o no ft h eg r i di nt h er e g i o n s y s t e m a t i c a l l y dt h ei n t r o d u c t i o no fh a r m o n i ct h e o r y , r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n a n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h ec l i e n t ，s o m ep r a c t i c a lm e t h o d so fr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cg o v e r n a n c eh a sb e e na n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y a tl a s t ，t h ep l a n u s i n gt h y r i s t o rs w i t c h e df i l t e r s ( t s f ) f o rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cg o v e m a n c eo ft h e p o w e r 鲥do no f f s h o r ep l a t f o r mi sp u tf o r w a r da f t e rc o m p a r i s o n a f t e rt e s t i n gh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e dt e c h n i c a ld a t ao ft h eo f f s h o r ep l a t f o r m s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h e p r o g r a mf o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cm a n a g e m e n t ，u s e dt h eg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) t o o l b o xo fm a t l a bt od e s i g na n do p t i m i z et s fp a r a m e t e r s f i n a l l y , s i m u l a t i o ns y s t e mw a ss e tu pt h r o u g ht h em a t l a b | s i m u l i n kt o o l b o x t h eg o o d s i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o g r a m ( 1 ) i n t r o d u c i n gt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fj z 9 3 o f f s h o r e p l a t f o r ma n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h ec l i e n t s u m m a r i z i n gt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h ep o w e r 鲥dq u a l i t ya n d h a r m o n i ci nf o r e i g na n dd o m e s t i cp o w e rs y s t e m ，a sw e l la st h eb a s i cm e t h o d so fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o no nt h eb a s i so fr e a d i n gal a r g eo fd o c u m e n t s ； ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h ep o w e rg r i do fj z 9 3o f f s h o r ep l a t f o r m ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c si s s u m m e du p ；a c c o r d i n gt ot h eo f f s h o r ee n v i r o n m e n ta n dc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h es p e c i f i c r e q u i r e m e n t so fe q u i p m e n ts e l e c t i o na r ep u tf o r w a r db yr e f e r r i n gt oc n o o c ( ( o d pr e p o r to n t h ed e v e l o p m e n to fw h p ap l a t f o r mi nj z 9 3r e g i o n ) ) w h i l er e a c t i v ec o m p e n s a t i n ga n d h a r m o n i ce l i m i n a t i n go nt h eo f f s h o r ep l a t f o r m s ； ( 3 ) i na l l u s i o nt oc u r r e n ts t a t u so fh a r m o n i c ，s e v e r a lm a n a g e m e n tm e a s u r e sa r eg i v e na s f o l l o w i n g ：1 ) p a s s i v ep o w e rf i l t e r ；2 ) s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ；3 ) a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a r p ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fp o w e rg r i d ，t h ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tp l a n i s p u tf o r w a r dt h r o u g hc o m p a r i n gt h em e r i t s a n dd e m e r i t so fs e v e r a l g o v e r n a n c e m e a s u r e s - t h y r i s t o rs w i t c h e df i t e r st ob eu s e df o rc o m p e n s a t i n ga n df i l t e r i n g f i n a l l y , t h ep a p e r c a r r i e do u tt h ed e t a i l e dp r o g r a md e s i g na n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ； ( 4 ) t h r o u g ht h ea c t u a lt e c h n i c a ld a t ao fo t i s h o r eo i lp l a t f o r m ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n da n a l y s i so fs u b j e c ta r ec a r r i e do u t t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t o o l b o xo fm a t l a bi s u s e df o r d e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gf i l t e rp a r a m e t e r s ，t h ec o m p e n s a t i o nf i l t e rs y s t e mi s s i m u l a t e dt h r o u g ht h em a t l a b | s i m u l i n kt o o l b o x a n dt h ee f f e c to ft h et h y r i s t o r s w i t c h e df i l t e ri sa n a l y z e dw h e ni tw o r k sw i t hr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i c s u p p r e s s i o n ( 5 ) t h ep a p e rs u m m e du pi n a d e q u a c i e so ft h er e s e a r c h e so nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n dh a r m o n i cg o v e r n a n c eo ft h eo f f s b o r eo i l f i e l d ，a n dc a r r i e do u tap r o s p e c to ff o l l o w - u p s t u d y c o n s i d e r i n gt h el i m i t e ds p a c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h eo f f s h o r eo i lp l a t f o r m ，t h eh y b r i d a c t i v ef i l t e ra n dt h r e et u n a b l ef i l t e ra l eb r o u g h tu pt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e r 蛳d k e yw o r d s ：t h y r i s t o rs w i t c h e df i l t e r ；p o w e re l e c t r o n i c ，o f f s h o r ep l a t f o r m ，h a r m o n i c s ；p o w e rf i l t e r ；p o w e r s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得_ 墨盗墨兰太堂一 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：廖毫彳 签字日期：夕歹年 ，月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰太至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：障1 | 缉 j 导师签名： 签字日期：厶口罗年1 月丫日 签字日期： 魂新 年m r 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 j z 9 3 海上采油平台是中国海洋石油集团公司位于渤海湾内的一个较小的海上平台。 距离海岸线约2 5 海里，海域水深约1 2 米左右，j z 9 3 平台是1 9 9 3 年建成投产的井组平 台，目前己经发展成为年产1 2 0 万吨级的油田。由于距离较远，没有陆地电网供电，采 用平台自发电的供电方式，为海上平台的采油、注水、原油外输、海水处理、消防、生 活等负荷供电。经过多年的建设，j z 9 3 平台海上供配电系统已经形成了一个完整、独 立的电网。 j z 9 3 采油平台由于生产的需要，要在其附近新建一个井口平台。新建的井口平台由 j z 9 - 3 主平台原有电力系统供电。目前j z 9 3 平台在s l p w 平台装有3 台4 7 5 0 k w 燃气透 平发电机。工作状态为两开一备。由于用电负荷已经较高，且在新建小井口平台上安装 新的发电机，需要考虑海上平台的搭建成本，电站及电网购置成本，人员维护等成本， 总的投资成本太大，投入和产出不成比例。公司技术决策层决定新建小井口平台采用简 易卫星平台模式，同时在中心平台上采用无功补偿方式释放发电机部分容量，并通过对 中心平台电能质量进行治理，主要是进行谐波治理，保证电站的供电能力，以达到给新 建小井口平台供电的目的。 经过调研，近年来，j z 9 - 3 油田日益广泛地采用高技术、高效益的交直流传动系统。 同时为适应地层工艺采油方式对液量不断变化开采的要求，油田钻采系统的驱动装置逐 步由恒速的交流电动机传动改为可调速的电气系统，例如变频器在采油中的大量应用。 另外，变压器等非线性负载都会在电网中产生无功和不同频率与幅值的谐波。随着平台 负荷的不断添加，平台无人值守的逐步实施，对平台供电可靠性的要求越来越高，电网 的供电质量日益受到关注。 检测分析研究均证明，谐波会对大量的用电设备和系统设备产生严重的危害。例如， 谐波会使电动机、变压器等具有铁芯的设备损耗增加、负荷能力降低；还会使噪声增大， 造成环境污染；谐波还有可能引起继电保护误动，给电力系统的稳定运行造成威胁；例 如，0 5 至0 6 年油田由于电网电能质量的下降，导致平台上的开关及二次保护误动作而 跳闸，直接导致井组停电事故1 0 余次，严重影响了原油生产，造成了巨大的损失；还 有由于电网谐波的干扰，发生多次自控通信系统的突然瘫痪事故，严重影响了生产的正 常运行。另外，在装有并联补偿电容器的情况下，谐波还会使电容器发热增加，从而降 低电容器的使用寿命甚至损坏电容器。在特殊的情况下，并联电容器会和系统电感形成 谐波振荡，引起谐波电流和谐波电压的急剧增大，造成设备损坏、开关误动。目前，谐 波己被公认为电网的公害。为此，在电力系统、电机、电器、供用电以及所有涉及电力 电子应用的工业部门中，大都把谐波干扰及分析处理作为重要技术课题，一些国际学术 第一章绪论 组织( i e c ，c i g r e 等) 及许多国家还制定了控制谐波的标准或管理办法。我国在1 9 8 4 年 由水利电力部颁布了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 68 4 ) ，1 9 9 3 年由能源部组织 制定并经国家技术监督局批准发布了谐波国家标准电能质量公用电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) ，谐波国家标准既为谐波治理提供了政策依据，也为谐波治理提出了具 体要求。另外，供电企业为了创一流的需要，也要对谐波进行治理，并满足有关指标的 要求。 目前，油田开展了谐波电力系统无功补偿和谐波治理研究科研攻关项目，开始着手 进行有关无功补偿和谐波问题的测试、分析、计算和治理工作，这些工作将首先从电网 开始，重点是改善平台电网电能质量，对电网进行无功补偿，充分挖掘发电机潜力以满 足部分中心平台周围卫星小平台的较小负荷供电；同时对电网谐波进行治理，特别是针 对容量较大的整流负荷和变频器用户。 基于严格的调研和分析，并且考虑了新建小井口平台增加有功负荷有限( 约3 0 0 k w ) ， 在j z 9 - 3 采油平台上采用无功补偿的方式，同时对谐波进行治理，是能够满足用户的要 求，并且提高了配电系统的可靠性、安全性。 另外微电网已成为一些发达国家解决电力系统问题的一个重要辅助手段。微电网是 中国发展可再生能源的有效形式。“十一五”规划已将积极推动和鼓励可再生能源的发 展作为中国的重点发展战略之一“。 作者认为。海洋平台电力系统可以认为是一类特殊的微电网。所不同的是海上平台 系统电网在一些情况下不和陆地电网并联。但海洋平台电力系统的研究可以给微电网的 研究带来一些启示。 1 2 海洋电力系统无功补偿和谐波治理研究基础 无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。变化的磁场产生变化的电 场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。因此有磁场空问和电场 空间才能存在无功功率产生的空间。研究无功功率不仅适用于陆地情况，而且同样适用 于海上平台( 如图卜1 ) 。 围1 - ：1 海洋“# 聊照片 1 2 1 无功补偿的基本概念 无功补偿的理论概念是成熟的理论，限于篇幅，在此不做详细阐述仅概要叙述如 下。 第一章绪论 采油平台用电负载中，感性负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都 是典型的感性负载。感性负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所 决定的。电力电子等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置，在工作时基 波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外这些装置产生的大量谐波电流也 要消耗无功功率。为了输送无功功率，要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围 里实现，而网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中的某个地方获得。显然，这 些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。 合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是通常说的无功补偿。 采油平台就目前的情况，随着新的卫星采油平台不断的投产和海上不断的更换大容 量的电潜泵，电站容量越来越紧张，在不能增加发电机的情况下，怎样更加合理的利用现 在电站充分发掘电站的潜能，采用无功补偿和谐波治理的方式，可以减缓电站容量的紧 张程度。可以达到节能增效的目的。所以，在采油平台上，采取无功补偿的方式进行无 功功率补偿，同时对电网电能质量进行治理，提高功率因数具有非常重要的意义和经济 价值。 1 2 2 无功补偿的原理 电网输出的功率包括两部分：一是有功功率，二是无功功率。直接消耗电能，把电 能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率； 不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备 条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率；如 电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能。线路电压与线路电流的乘 积称为视在功率。有功功率、无功功率、视在功 率的功率三角形如图卜2 所示。 功率因数是有功功率与视在功率的比率，俗 称力率。 p = s c o s t p ( 卜1 ) 电流在电感元件中作功时，电流超前于电压 9 0 。而电流在电容元件中作功时，电流滞后电 压9 0 。c 。在同一电路中，电感电流与电容电流 方向相反，互差1 8 0 c 。如果在电磁元件电路中 有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵 消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小， 补偿的原理。 p 图1 _ 2 功率三角形 q 从而提高电能作功的能力，这就是无功 为了将用户功率因数自c o sq 0 。提高到c o s 妒：而装设静电电容器、调相机或静止无功补 偿器( s v c ) 它的容量可按下式确定： a q = p ( t a n t p l 一t a i l 仍) 最常见和有实用意义的并联补偿电路， 再和电容并联。如图1 - 3 所示。 ( 1 - 2 ) 这种电路是先将电阻与电感串联起来，然后 1 第一章绪论 土一卫 + 竺l | 图i - 3 电容补偿原理图 大多数负荷是感应电动机，它相当于一个电阻串接一个电感线圈。由于它的功率因 数较低，为了补偿它的感性功率，以提高功率因数。图中可见总电流，z 的值为负荷电流 i l 与通过电容器电流厶的矢量和。加在负荷与电容器上的外加电压u 是相同的。其关 系如下： l 2llic(1-3)t卜c t 2 乒u 霉 七2 瓦u ( 1 4 ) ( 1 5 ) 其矢量关系如图i - 4 所示。从矢量图中可以看到，在并联 补偿以前电压与电流间的夹角为9 ，即功率因数等于c o s6 p ， 经过并联补偿以后，电压与电流高韵夹角已从妒，减小为9 ，即 图i - 4 电流矢量关系图 功率因数已经从c o s 6 p ，提高到c o s c p 。在并联补偿电路中，如果所采用补偿电容器的容量， 正好抵消电感线圈的容量，使电路中电压与电流同相位，此时电路呈电阻性。没有电抗， 电感的无功功率正好为电容器的无功功率全部抵消。电源只要向负载供应有功功率，这 即是一种完全的补偿。 1 2 3 谐波的基本概念 “谐波一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪己经奠定了良 好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛使用。电力系统的谐波问题早 在二十世纪二、三十年代就引起了人们的注意。到了五、六十年代，由于高压直流输电 技术的发展，有关科研人员发表了关于变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。七十 年代以来，电力电子技术的飞速发展使得各种电力电子装置在工业、交通及家庭中的应 用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。世界各国对此问题予以了充分的关注，国 际学术组织也制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准的规定。在国际上，各个 国际组织：如国际电气电子工程师协会( i e e e ) ，国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会 议( c i g r e ) 也纷纷提出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是i e e e 一5 1 9 1 9 9 2 和 i e c 5 5 5 - 2 0 1 9 8 4 ，我国参照国外标准，制定了电力系统谐波管理暂行规定。该规定对 我国电网在不同电压等级下电压波形畸变率极限值和谐波电流极限值做出了规定。之 后，国家技术监督局于一九九三年又发布了中华人民共和国标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质 量，公用电网谐波。 i、 第一章绪论 国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波 频率的整数倍 。从定义中可以看到： 1 谐波次数必须是个正整数。例如我国电力系统参照前苏联的电制，额定频率是 5 0 h z ，2 次谐波为i o o h z ，3 次谐波为1 5 0 h z ；欧美国家电力系统的额定频率为6 0 h z ，其 基波为6 0 h z ，2 次谐波为1 2 0 h z ，3 次谐波为1 8 0 h z 。谐波次数不能为非整数，因此也不 能有非整数谐波。 2 ，间谐波、次谐波和分数谐波。按照i e c 有关文件中定义的间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) 是指频率不是工频的整数倍的谐波分量，即介于工频与谐波之间的傅立叶频谱分量。其 主要来源于静态变频器、换流器、感应电动机、电焊机和变频器等。 次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 为频率低于工频基波的分量。 分数谐波( 部分的一和声学) 是频率非基波频率整数倍的分量。 次谐波和分数谐波对基波产生调幅并影响电视。f u c h s 等发现，分数谐波即使只有 o 5 ( 相对于额定端电压) ，也将对阴极射线管的图象产生周期性的放大和缩小。 本文主要讨论第1 种情况。 1 2 4 谐波的数学表达 在供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波 分析时，正弦电压通常由下数学式表示： ( f ) = x 2 u s i n ( c o t + 口) ( 1 6 ) 其中，u 为电压有效值，a 为初相角，为角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积 分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变 为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然， 非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。 理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。 谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。对于周期为 t = 2 r e 的非正弦电压z ，( 研) ，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶 级数： 材( 耐) = + kc o s ( n o t ) + b 。s i n ( h o o t ) ( 1 7 ) n = l 式中： 1应露 2 寺j ：u ( o t ) d ( o t ) 1丑疗 c i 。= 二【u ( c o t ) c o s ( n o t ) d ( o t ) 7 r ” 1正定 b 。= 二【u ( t ) s i n ( ，耐) d ( 耐) 巧” ( n = 1 ，2 ，3 ) 在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为1 t 的分量称 第一章绪论 为基波，谐波次数大于1 ，为谐波频率和基波频率的整数比。对于非正弦电流的情况也完 全适用。 1 2 5 衡量谐波的主要指标 衡量谐波的主要指标有谐波含有率、谐波含有量和总谐波畸变率，以电压为例给出 这些指标的数学表达式： 1 、第n 次谐波电压含有率： r 厂 h r u 。= 血1 0 0 ( 1 8 ) “ u l 式中： u 。一第n 次谐波电压有效值 u 一基波电压有效值 2 、谐波电压含有量： u = 3 、电压总谐波畸变率t h d u t h d = 鲁。 电流的谐波指标定义与电压相似，这里不再给出。 1 2 6 国内外电能质量标准介绍 ( 1 1 0 ) 电网谐波是影响电能质量的一个重要方面，制定限值谐波的标准是解决电力系统谐 波危害和影响的重要措施。世界上许多国家都己制定了限值谐波的国家标准或全国性规 定。 1 、国内标准 我国也先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的规定和国家标准。8 4 年我国 原水利电力部根据原国家经济委员会批转的全国供用电规则，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年又发布了中华人民共和国国 家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。 下面的内容均引自该标准。 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高，谐 波限制越严。另外对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表1 1 给出了公用电 网谐波电压限值。 第一章绪论 表1 1 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( k v ) ( )奇次 偶次 o 3 85 04 o2 0 64 03 21 6 1 0 3 53 02 41 2 6 6 1 1 02 01 6o 8 2 、国外标准 尽管在世界范围内相关的谐波标准尚未被强制实行，但在国际上，各个国际组织， 如国际电气电子工程师协会( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 也 纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 和i e c l 0 0 0 - 3 - 2 。 i e e e 一5 1 9 是美国电气和电子工程协会( i e e e ) 制定并作为美国国家标准( a n s i ) 的。它 在1 9 8 1 年首次颁布，称为“i e e e s t d 5 1 9 - 1 9 8 1 关于静态功率变换器的谐波控制和无功 补偿的指南”。1 9 9 2 年经修订后又重新发布了“i e e e s t d 5 1 9 - 1 9 9 2 ，称为“i e e e 对电 功率系统中谐波控制的要求和推荐标准”。该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响； 确定了判别畸变程度的参量；制定了对电力系统中波形畸变的限制；介绍了波形畸变的 分析方法和控制措施等，对从事大功率变频调速系统开发和应用的工程技术人员具有指 导性的作用。 1 3 配电系统谐波抑制方法介绍 配电系统谐波的抑制及消除，总的来说就是两个途径：首先就是消除谐波源，如果 各种电气设备从设计阶段就考虑到尽量减少对电网的谐波输入，使其不产生谐波，则整 个电网自然就没有谐波污染了。配电系统谐波的抑制及消除的另一个途径就是设计谐波 补偿装置来补偿电网己经产生的谐波，这对各种谐波源都适用。两种方法详细介绍如下： 1 3 1 第一类：抑制谐波源法 这种方法主要是从改进电力电子装置入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是在 谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生口1 。这类方法可防止谐波影响波及众多 的供用电设备。电网质量的提高可节省消除谐波影响的大量人力和物力。将高水平的技 术和相对集中的财力用到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利， 这样的方法有： 1 、增加整流相数法 由谐波产生的机理知，随着整流相数的增加，网侧电流谐波成分减少，电流波形接 第一章绪论 近子正弦波。在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只含有n 次奇次谐波，但高次谐波的 振幅值只有基波振幅值的1 n ，这说明谐波次数越高，其振幅值越小。在多相整流电路 中，谐波的影响就显著减少当然整流相数提高，会使设备的造价相应提高。 2 、波形叠加法 逆变器输出端的电压谐波严重地影响了d c a c 交流变换器的应用。但如果用两台 逆变器输出的电压在副边叠加，使两台逆变器的输出波形每半周内都保持6 0 。间隙，然 后第二台逆变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移3 6 。，这样第一台逆变器的输 出波形中的五次谐波和第二台逆变器输出波形中的五次谐波的相位差为1 8 0 。，五次谐波 在变压器副边互相抵消，达到了同时消除三次和五次谐波的目的，逆变器输出电压波形 接近于正弦波。 3 、脉宽调制法 采用p 1 】| m 在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压 脉冲可以达到抑制谐波的目的。 1 3 2 第二类：谐波补偿法 抑制和消除谐波的另一大类方法是在电力电子装置的交流侧利用l c 无源滤波器和 电力有源滤波器对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。这类方法属于对己 产生的谐波进行有效抑制的方法，这样的方法有： 1 、l c 无源滤波法 l c 无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利用l c 谐振回 路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率 相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会进入电网。多个不同谐振频率的谐振回路 可溥除多个高次谐波电流，这种方法简单易行。 2 、静止无功补偿法 在网侧投入无功补偿装置( s v c ) 是用来补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因数。 另外，无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可在某次频率产生谐振，即可对该频率 的谐波实现滤波。传统的固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置已经落后，近 年来发展趋势是采用g t o 构成的换向变流器，通常称为静止无功发生器( s v g ) ，它既可 提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。如果单纯用于补偿无功，可用移相多 重联结的方法来降低其补偿电流中的谐波。再使用适当的控制方法，s v g 可在补偿无功 功率的同时对谐波电流进行补偿。 3 、电力有源滤波器补偿法 如上所述的l c 滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量，抑制某些谐波， 但却不能对变化的高次谐波动态补偿。随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究 方向逐步转向有源滤波器。有源电力滤波器的基本原理是检测出补偿对象中谐波电流的 大小，由有源电力滤波器产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流抵消谐波 电流，使电网电流只含基波分量。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能对变化的 电网谐波进行动态跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗变化影响小，不存在谐波放大的危险， 第一章绪论 储能元件容量小。但是，有源电力滤波器的工业应用尚处于初期阶段，日本和美国已有 此类产品投入实际运行。我国还处于研制阶段，有关研究还停留在实验室研究和工业化 实验阶段【4 】，到目前为止，有源电力滤波器还未能在我国工业领域得到广泛应用。 1 4 国内外谐波问题研究现状 从国内外的情况看，对谐波问题的研究自从上个世纪六十年代初开始就一直相当活 跃，内容涉及有关谐波的基本理论、谐波分析计算、谐波源特性、谐波的危害、谐波测 量方法、谐波的抑制等多方面内容。从1 9 8 0 年左右开始，我国一些科研单位、生产部 门和高等院校也陆续开展了谐波方面的研究工作，出现了很多研究成果，并于1 9 9 3 年 制定出了谐波国家标准( c - b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。谐波源分析方面，各种类型的大、中容量的整 流负荷谐波模型己较为完善，其特征谐波电流可以较为准确地计算出来。但其它谐波源 如家用电器、电弧炉等则建模较为困难，目前还没有十分有效的分析方法，一般是采用 实测的方法，然后再给出一个统计范围。 研究谐波对电力系统和电气设备的危害是制定谐波标准和采取治理措施的重要前 提。国内外均对谐波的危害问题进行过大量的分析计算和试验研究，取得了不少重要数 据，并发表了大量文献。但是，由于谐波问题的复杂性，在很多方面认识与分析程度还 有所欠缺，一些方面人们还存在着不同的看法。例如，谐波对电能计量的影响问题，至 今还未能给出一个明确的结论。谐波测量是评定电网谐波水平和采取抑制措施的最终手 段，在谐波问题的分析研究中占有极其重要的地位。随着计算机技术的迅速发展和快速 傅立叶分解技术的普遍采用，谐波的测量不论是在精度方面，还是测试数据的分析处理 方面，都发展到了较高的水平，并且向多功能、智能化方向发展，测量功能也从单纯的 谐波测量向电能质量测量方面发展。目前，谐波测量仪器己基本上能满足中低压电网的 谐波测试需要。 目前，电力系统谐波研究领域概括起来，其研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 不同谐波源的产生机理。电力系统高次波源在许多情况下可以当作电流源来处 理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究，例如各种型号电铁机车运行时谐波含 量及牵引供电臂谐波特性等； ( 2 ) 电力系统元件在谐波下的特性哺“1 。这个问题也可以称为电力系统模型及其精度。 变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，均有精确的谐波数学模型。非纷性负荷 的谐波阻抗目前只有粗略的模型，更准确的模型尚在探讨中。电力系统谐波与供电系统 关系十分密切。畸变波在电网上传播取决于电网参数，它可能使畸变受到抑制，亦可使 畸变放大； ( 3 ) 谐波在电力系统中的分布口1 ，谐波潮流分析。谐波潮流分析大致分成线性分析、 非线性频域分析和非线性时域仿真三种方法陋引。显然，系统各部分元件的数学模型直接 影响到计算值的误差。目前对负荷的模型还研究得很不够，背景谐波对谐波源线路的影 响也不可忽略。由于元件谐波阻抗的复杂性，加上谐波源的多样性和多变性，给谐波分 析工作带来一定的困难； 第一章绪论 ( 4 ) 谐波对测控装置、继电保护装置、通信线路的危害； ( 5 ) 畸变波形下谐波电压、电流以及各种电量的测量方法和装置。用计算方法比较精 确地获得电网谐波参数是很困难的，因此谐波的测试工作在谐波研究中占很重要的地 位。文献 1 0 对测量方法、数据处理及测试条件作了分析，提出了综合负荷和特殊负荷 谐波的概念与估计方法。我国的国家标准g b t 1 4 5 - 9 3 也对谐波的测量作了明确的规定； ( 6 ) 谐波抑制的方法和装置n 仉1 1 1 。原则上，在谐波源处采取抑制措施是最有效的。目 前广泛采取抑制措施是最有效的，一是在谐波原处加装滤波器，这是普遍的措施。目前 广泛采用无源滤波器，静止无功补偿装置和有源滤波器也开始使用；二是对整流设备增 加相数，对电气化铁道牵引变电站的接入相序换相，以减少注入系统的谐波； ( 7 ) 系统中谐波水平的管理及谐波标准的制定。1 9 9 3 年国家技术监督局批准并颁发 了电能质量一公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 以下简称“国标”) ，促使电力部门和电 力用户采取措施，把电网的谐波水平控制在允许范围内，保证供电质量，防止谐波危害， 以获得良好的社会经济效益； 研究内容( 1 ) 、( 2 ) 的实质是解决谐波源理论建模问题，研究内容( 3 ) 、( 4 ) 是揭示谐 波对系统和设备的影响，研究内容( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 则是提供抑制谐波的手段和管理标准。 1 5 本文主要工作 本文以中海油j z 9 3 油田电网为研究背景，根据中海油提出的治理目标，通过理论 分析比较，探讨针对j z 9 3 油田电网切实可行的无功补偿和谐波治理方案，最后具体针 对j z 9 3 井组平台的谐波监测数据进行分析，采用了切实可行的方式进行无功补偿和谐 波治理；并利用m a t l a b 的遗传算法工具箱，对t s f 晶闸管投切滤波器的参数进行了优 化设计；最后通过m a t l a b s i m u l i n k 工具箱对治理效果进行仿真分析，来验证治理方案 的可行性。 第二章j z 9 3 海洋油田电网 2 。1 概述 第二章d e 9 - 3 海洋油田电网 j z 9 3 海洋采油平台是中国海洋石油集团公司位于渤海湾内的一个较小的海上平 台。距离海岸线约2 8 海里，海域水深约1 0 米左右，j z 9 3 平台是1 9 9 9 年建成投产的井 组平台，油田面积1 8 9 平方公里，地质储量3 0 8 0 万吨，目前己经发展成为年产1 0 0 万 吨级的油田。由于距离较远，没有陆地电网供电，采用平台自发电的供电方式，为海上 平台的采油、注水、原油外输、海水处理、消防、生活等负荷供电。经过多年的建设， j z 9 - 3 平台海上供配电系统已经形成了一个完整、独立的电网。 目前供配电系统主要包括：1 座中心平台( s l p w 平台) 及3 座子平台( w h p e 平台、d r p w 平台及1 j | h p a 平台) ；l o k v 海底电缆全长约1 5 k m ，6 v k 海底电缆全长约3 0 公里。中心平 台( s l p w 平台) 上装有3 台4 7 5 0 k w 天然气透平发电机组、1 台li o o k w 应急发动机组及 高低压配电装置等，为平台注水、原油外输、海水处理、消防等负荷供电；每个井组平 台上设有高低压开关室、变压器等；平台上中压设备( 3 3 k v ) 有注水泵、燃气压缩机、 原油输送泵、淡水增压泵等；平台0 4 k v 设备中最主要的设备是电潜泵，由于采油工 艺的要求，已将s l p w 平台电潜泵驱动装置改成一对一变频器驱