（电气工程专业论文）埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究.pdf

浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et a k ec h e n g d a oo i lf i e l da r e ae l e c t r i c a ln e t w o r ka st h er e s e a r c h b a c k g r o u n d ，a n ds y s t e m i ci n t r o d u e e dt h i s1 0 c a le l e c t r i c a ln e t w o r kc o m p o s i t i o n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c t h r o u g ht h el a r g er e s e a r c ha n dt h ei n t r o d u c t i o no f h a r i i l o n i ct h e o r y ，i ta n a l y s e st h ep r a c t i c a lm e t h o do ft h eh a r m o n i cg o v e r n f n e n ti n t h isa r e ae l e c t r i c a ln e t w o r k ，a n dt h e nt h r o u g hc o m p a r e dt oe l e c t e dt od e t e r m in e t h ef e a s i b l ep l a n ：f i n a l l yt h r o u g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h ec b 2 4 3w e l g r o u p p l a t f o r m ， i th a sg a t h e r e dt h em a s s i v ec o r r e l a t i o nd a t a ，a n dh a sc o n f i r m e dt h a t t h ep l a ni sf e a s i b i l i t y ( 1 ) i nr e a di nt h em a s s i v ed o r n e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ef 。u n d a t i o n ，s u m m a r i z e s w e n ta b r o a da b o u tt h ee l e c t r i c a ln e t w o r kp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dt ot h eh a r m o n i c s u p p r e s s i o nb a s i cr e q u e s t ；a n ds u m m a r i z e dt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o ne s s e n t i a l m e t h o d ： ( 2 )i nv i c wo fc h e n g d a oo i lf i e l da r e ae l e c t r i c a ln e t w o r k ， s u m m a r i z e di t s e s s e n t i a lf e a t u r e ：a c c o r d i n gt oi t se n v i r o n m e n ta n dt h ec l i m a t ec h a r a c t e r is t i c ， s u m m a r i z e da n dp r o p o s e dw h e nm a r i n eh a r m o n i cs u p p r e s s i o no fw e l lg r o u pp l a t f o r m ， w h a ts p e c i f i cr e q u e s ta b o u te q u i p m e n te l e c t i n g ： ( 3 ) i nv i e wo ft h eh a r m o n i cp r e s e n ts i t u a t i o n ，p r o p o s e st h ec o r r e s p o n d i n gs e v e r a l k i n do fg 。v e r n m e n t sm e a s u r e ：( 1 ) p a s s i v ee l e c t r i cp o w e rf i l t e r ；( 2 ) s t a t i ci d l e w o r kc o m p e n s a t o r( s v c ) ：( 3 )a c t i v ee l e c t r i cp o w e rf i l t e r( a p f ) a g a i na c t s a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i c a ln e t w o r kt h ea c t u a ls i t u a t i o n ， c o m p a r e dw i t ht h e g o v e r n m e n tm e a s u r ef i ta n du n f i tq u a l i t y ，t h ed e f i n i t ec o m p r e h e n s i v ep r o g r a mo f p u b l i co r d e rp l a n ， a n dc a r r i e so nt h es y s t e md e s i g n ： ( 4 ) a c t sa c c o r d i n gt oc h o o s e st h ep l a nt oc a r r yo nt h ep r o j e c td e m o n s t r a t i o n ， t h r o u g ht h em a s s i v ec o n t r a s t st e s tc a r da n dt h ed a t a ，a n a l y z e da n dc o n f i r m st h e e f f e c to ft h ea c t i v e f i l t e rt oa d dt h eh a r l i l o n i o u se l e t r i cc a p a c i t yr e a c t o r c a r r i e do nw h e nt h eh a r m o n i cg o v e r 彻e n t ，a n dh a sd r a 町nt h ec o n c l u s i o n k e y 酌r d s ：e l e c t r i c a ln e t w o r k ， o c e a n ，h a r m o n i c ，d e v i c e ， a c t i v ep o w e rf i l t e r s ， e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 埋岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 1 1 引言 第一章绪论 埕岛海上油田位于胜利油田中心以北偏东约l o o 公里的渤海湾内，处于渤海湾 南部的浅海海域，海域水深约1 2 米左右，目前已经发展成为年产2 0 0 万吨级的油田。 其供配电系统离海岸近1 0 公里，采用陆地网供电为主，中心平台自发电作为应急备 用为辅的供电方式，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。中心平台通过6 k v 海底电缆采用放射式和链式组合方式向各卫星井组 平台供电。经过多年的建设，埋岛油田海上供配电系统已基本形成了一个相对完整 与独立的电网。 近年来，埕岛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，油田钻采系统与油气集输系统 的驱动装嚣逐步由恒速的交流电动机传动改为可调速的电气传动系统，例如变频器 在采油中的大量应用，以及随着自动化控制水平的提高，在油田电系统中电力半导体 整流装置的使用日益增多。另外，油田电系统中有大量的电焊机、抽油机电变压器等 菲线性负载都会在电网中产生无功和不同频率与幅值的高次谐波，其中以电力半导 体装置所产生的高次谐波最为严重，约占总谐波发生源的7 0 以上。随着油田生产规 模的不断扩大，平台无人值守的逐步实施，对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危害。例 如，谐波会使并联补偿电容器发热增加，从而降低电容器的使用寿命甚至损坏电容 器；谐波会使电动机、变压器等具有铁心的设备损耗增加，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，给电力系统安全稳定 运行造成威胁，例如，0 3 至0 4 年埕岛油田由于电网电压质擐的下降，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近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。此外在特殊情况下，并联补偿电容器会 与系统电抗发生谐波谐振，引起谐波电压与谐波电流的急剧增大，造成设备损坏、 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 开关误动。目前，谐波污染已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 6 8 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谐波治理研究科研攻关项目，开始着手进行有 关谐波问题的测试、分析、计算和治理工作，这些工作将首先从电网开始，重点是 针对容量较大的整流负荷和变频器用户。研究谐波问题主要还是针对供电系统谐波 的分布和传递。谐波潮流仿真是谐波分析工作中的重要内容之一，它为供电部门进 行谐波分析、研究谐波治理对策以及供电系统继电保护和自动装置的参数整定提供 重要依据。现场的工程技术人员急需要有关电网谐波分析方面的计算机软件，以便 为谐波管理和治理提供有利工具。 1 2 埕岛海上配电系统谐波研究基础 1 2 1 谐波的基本概念 “谐波”一词起源于声学w 有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定了 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 2 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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。 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。例如我国电力系统的额定频率是5 0 h z ，2 次谐波为 1 0 0 h z ，3 次谐波为1 5 0 h z ：有些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 有关文件中定义的问谐波 ( i n t e r h a 珈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0 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 2 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： 一 “( f ) = 2 c 厂s i n ( f + 口) ( 1 一1 ) 其中，u 为电压有效值，口为初相角，甜为角频率。 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，非正弦电压旌加在线性电路上时，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 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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 石的非正弦电压“( 耐) ，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： “( 甜) = + c o s o 叫) + ks i n o 珊f ) ( 1 2 ) 式中 铲去“删( 甜) n 。= 三f 。“( 鲥) c o s 科) d ( 纠) 丸= 昙r 。“( 耐) c 。s 仰甜) d ( 耐) ( 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l t 的分量称 为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。对于非正弦电流的情况也 完拿适用。 1 2 3 衡量谐波的主要指标 ( 1 ) 第n 次谐波电压含有率王矾u 。 。= 鲁枷。 式中 u 。一第n 次谐波电压有效值； u 一基波电压有效值。 ( 2 ) 第n 次谐波电流含有率爿：盯。 鹦= 亭l o o 式中 ，。一第n 次谐波电流有效值 基波电流有效值。 ( 3 ) 谐波电压含有量【， 4 ( 卜3 ) ( 卜4 ) 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 = ( ) 2 yn t 2 ( 4 ) 谐波电流含有量 f 一 2 、薹( 耵 ( 5 ) 电压总谐波畸变率删n 觋普枷蚴 ( 6 ) 电流总谐波畸变率啪， 硼2 等蚶o o 1 2 4 国内外电能质量标准介绍 ( 卜5 ) ( 卜6 ) ( 卜7 ) ( 卜8 ) 电网谐波是影响电能质量的一个重要方面，制定i 艮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。 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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 0 4 02 o 6 4 o3 21 6 1 0 3 5 3 02 4l _ 2 6 6 1 1 02 01 6o 8 公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不 应超过表1 2 中规定的允许值。 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，可按式l 一9 修正表 1 2 中的谐波电流允许值。 卜舡 c 吲 式中 s 。一公共连接点的最小短路容量( m v a ) ； s 。一基准短路容量( m v a ) ： 厶。一表1 2 中第n 次谐波电流允许值( a ) ； i 。一短路容量为s 。时的第n 次谐波电流允许值( a ) 。 第n 次谐波电压含有率 m 。与第n 次谐波电流分量i 。的关系如下： 删。= 鬻( 绚 “1 0 ) 式中 u n 一电网的标称电压( k v ) ； i 。一第n 次谐波电流( a ) ： z 。一系统的第n 次谐波阻抗( q ) 如谐波阻抗z 。未知，h r u 。和i 。的关系可按下式进行近似的工程估算： 6 一 s j 型 妊 婿 删 您 磐 趔 裁 妪 鲻 磐 荨 蹇划宅 藕肄 旨 幽 脚0 掣0 蜷 掣蛙氓娓世鲻磐g谩鞑埘找 1 3 ，偶次 k 1 6 21 2 8o 7 2o 1 8 o 0 8o 两个以上同次谐波电流叠加时，首先将两个谐波电流叠加，然后再与第三个谐 波电流叠加，以此类推。两个及两个以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐 波电压叠加的公式和式( 1 一1 3 ) 或式( 1 一1 4 ) 类似。 同一公共连接点有多个用户时，每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此 用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。第i 个用户 的第n 次谐波电流允许值i 。( a ) 按下式计算： 。= l ( 墨墨) ”“ ( 1 一1 5 ) 式中 l 一按式( 1 9 ) 计算的第n 次谐波电流允许值( a ) ； 浙江大学硕士学位论文 埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 s ：一第i 个用户的用电拚议容量( m v a ) s 一公共连接点的供电设备容量( m v a ) n 一相位叠加系数，按表1 4 取值。 表1 4 相位叠加系数取值 n3 5 71 11 3 9 ， 1 3 ，偶次 1 11 21 41 81 92 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l e c l 0 0 0 一3 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 es 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 es 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。 表1 5i e e e 一5 l g 对电压谐波的限值标准 母线电压最大单次谐波含量最大谐波畸变系数 6 9 k v 及以下 3 o5 o 1 1 5 k v 1 6 1 k v 1 52 5 1 6 1 k v 及以上 1 01 5 为了防止设备产生的谐波电流回流到供电系统。并对其它用电设备产生不良影 响。i e e e 一5 1 9 对系统共同连接点的谐波电压和谐波电流加以规范，它把规范的目 浙江大学硕士学位论文 埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 标放在包括电流和电压谐波在内的大功率商业及工业用户群。表1 5 列出了i e e e 一5 1 9 对电压谐波的限制标准。 表1 6 列出了低于6 9 0 0 0 伏的供电系统中，在不同的短路比( 这里短路比s c r 定义为最大短路电流i 。与月平均设定最大负载电流i ，之比) 条件下，其谐波电流值 ( 表中数值为谐波的安培数) 和总谐波畸变系数( t h d ) 值的限制，而偶次谐波限制在奇 次谐波的2 5 以下。从表可见，电网容量越小，对谐波的限制越加严格。因此，按 照电力电子装置容量与电力系统短路容量之比，正确选择主电路联结形式( 等效相 数、脉波数) 和控制方式，就十分重要。 表1 6i e e e 一5 1 9 电流限制值( a ) s c r = i 。i 。 n 3 5t h d 1 0 0 0 1 5 o7 o6 o2 51 42 0 0 流小 于等于1 6 a 的电力电子产品要在欧洲销售都必须服从这一欧洲标准，至今这一标准 并未在世界范围内得到接受。但由于各种非线性电子设备的使用，使得谐波的污染 正日益增强。为电力系统的运行安全和减少谐波损失，电力电子设备的制造商正致 力于生产满足国际谐波标准的相关产品。 目前所有的谐波标准分成三大类： a 对用户及系统的限制标准有i e e e 一5 1 9 一1 9 9 2 、i e c l o o o 一2 2 和i e c l o o o 一3 6 等； b 对设备的限制标准有i e c l 0 0 0 3 2 ( 1 6 a 以下) 、i e c = 3 4 ( 1 6 7 5 a ) 及其它新 的i e e e 标准； c 谐波的测量标准i e c l 0 0 0 一4 7 ； 目前，只有i e c l 0 0 0 3 2 和i e c 一3 4 两个标准对个别谐波进行了限制。因而它 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 对电力电子设备的设计影响最大。i e e e 5 1 9 对个别谐波也作了限制，但它的丰要目 的是限制系统节点p p c ( p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ) 的谐波大小。由于在某些工业 场合极难实现i e c l o o o 一3 4 标准，所以通常采用i e e e 一5 1 9 作为设计准则来限制三相 电力电子设备的谐波发送，这也反映了工业领域对三相谐波标准的强烈要求。 i e c l 0 0 0 标准系列涉及到所有的电磁设备，其中i e c l 0 0 0 一3 2 是针对小型电气 设备而制定的。它的重点放在公众的“低压”“家用”的设备方面，对相电流小于或 等于1 6 a 的电气设备所产生的谐波作出了限制。该标准对谐波的限制分a 、b 、c 、d 四个等级。因为它所涉及的对象是应用最为广泛的，如整流装置一类的功率电子设 备，且电流波形较为特殊，因而它也是这当中最具争议的标准。 表1 7 列出了对d 级设备的谐波限制标准。d 级标准所规范的最大输入电功率 为6 0 0 w 。表中仅列出了对1 3 次以下谐波的限制。 表1 7i e c l o o o 一3 2 对d 级设备的谐波限制标准 谐波次数n每瓦所允许的最大谐波电流m a w最大允许谐波电流a 33 4 2 3 51 9l _ 1 4 71 oo 7 7 90 50 4 0 1 l0 3 5o 3 3 i e c l o o o 一3 4 除涉及到单一设备的谐波限制标准之外，还涉及到整个系统的安装 设备：包括单相及三相装置的谐波限制标准，同时还考虑了短路比r 。( s h o r t c i r c u i tc u r r e n tr a t i o ，r 。定义为最大短路电流与额定负载电流之比) ，表1 8 列出了输入电流大于1 6 a 设备的谐波限制标准( 只硎出了1 3 次以下的谐波) 。 表1 9 列出了i e c l 0 0 0 3 4 对所有奇次谐波的限制值，该标准限制整个装置 谐波最大不超过2 0 。如果三相不平衡，则每相都应服从单相的谐波标准。 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 表1 8i e c l 0 0 0 3 4 对三相设备的谐波限制标准 单次谐波与基波比的限制值 最小短路比r 。谐波畸变系数上限t h d i5i ，i 】l i i j 6 61 71 21 09 6 1 2 01 81 5 1 21 28 1 7 52 5 2 01 41 28 2 5 03 53 01 8 1 38 3 5 04 8 4 02 51 51 0 4 5 05 8 5 03 52 01 5 6 0 07 06 0 4 02 51 8 表1 9i e c l 0 0 0 3 4 对所有谐波的限制标准 所允许的谐波电流所允许的谐波电流 谐波次数n谐波次数n ( i 。i 一) ( i i “a ) 3 1 91 91 1 59 5 2 1o 6 76 52 3 o 9 93 82 5 0 8 1 13 1 2 7o 6 1 32 0 2 9o 7 1 5o 73 l o 7 1 71 23 30 6 浙江大学硕士学位论文 埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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已经产生的谐波，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哪。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 ，3 1 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 形接近于正弦波。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l 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。 1 3 1 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 一交流变换器的应用。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 。， 五次谐波在变压器剐边互相抵消，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。 1 3 1 3 脉宽调制法 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及泊理方案研究 采用p i v 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 3 2 1l c 无源滤波法 l c 无源滤波器是种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利用l c 渚振回 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。 1 3 2 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 0 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。 1 3 2 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， 1 4 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 不存在谐波放大的危险，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“，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( g 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葶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 测量仪器已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m 。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 浙江大学硕士学位论文 埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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跏。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嘲，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脚。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； ( 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、狈i 试工作在谐波研究中占很重 要的地位。文献嘲对测量方法、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嘲。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 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 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 本文以埕岛油田电网为研究背景，通过理论分析比较，探讨针对埕岛油田电网 切实可行的谐波治理方案，最后具体针对某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谐波治理；通过实际应用，来验证治理方案的可行性n 浙江大学硬士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 2 1 概述 第二章埕岛油田海上电网 埕岛海上油田位于胜利油田中心以北偏东约1 0 0 公里的渤海湾内，处于渤海湾南 部的浅海海域，海域水深1 2 米左右，目前已经发展成为年产2 0 0 万吨级的油田，属于 胜利石油管理局十大采油厂之一的海洋石油开发公司。海洋石油开发公司成立于 1 9 9 4 年5 月，现有职工1 3 3 6 人，平均年龄2 9 5 岁，其中党员4 1 5 人，占职工总数的3 1 1 ：大专以上文化程度3 2 9 人，占职工总数的2 4 6 ； 中高级专业技术人员1 4 3 人， 占职工总数的1 0 7 。公司机关设有1 9 个职能科室，下属1 1 个三级单位。主要担负 着胜利海上油田的开发建设和管理任务，管理着海上各类采油平台7 0 多座( 其中中 心平台3 座，开发系列平台3 座，井组平台3 8 座，单井平台2 7 座) ；海上油井2 2 0 口( 其 中进海管油井2 0 0 口，船舶拉油井2 0 口) ，目前开井1 7 2 口，日产油水平5 7 0 0 t ，综合 含水3 5 5 ，采出程度6 9 ；注水井2 4 口，开井2 4 口，日注水量2 4 2 8 m 3 ，井组注水 比o 7 1 2 ；气井l 口；另外有海底输油管线4 9 条，共计6 6 5 k m ，3 5 及6 k v 海底电缆 5 0 条，共计约8 7 0 k ，注水管线2 9 条，共计1 9 1 k m ，气管线l 条1 2 k m ；各类油气接转 站3 座，联合站1 座；石油专用码头1 座；固定资产原值7 2 2 5 亿元，净值5 2 3 亿元。 目前供配电系统主要包括：3 座中心平台( 中心一号、中心二号、埕北3 0 a 中心 平台) 及约6 0 多座井组平台、8 座钻井平台；3 5 k v 海底电缆2 l k m ，6 k v 海底电缆全长 约6 6 公里。中心一号平台上装有2 台3 0 0 0 k w 天然气发电机组、1 台1 1 0 0 k w 应急发动机 组及高低压配电装置等，为中心一号平台注水、原油外输、海水处理、消防等负荷 供电；中心二号平台上建有一座3 5 k v 变电所，2 台3 5 6 k v1 0 0 0 0 k v a 干式变压器，2 台6 o 4 k v1 6 0 0 k v a 干式变压器，其电源通过1 2 公里3 5 k v 双回路海底电缆引自陆地上 1 1 0 k v 滩海变电所。中心一、二号平台之间用6 k v 海底电缆联络。中心平台通过6 k v 海底电缆采用放射式和链式组合向各井组平台供电。每个井组平台上设有高低压开 关室、变压器等。埕岛油田海上平台布局如图2 1 所示。 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 海洋变1 1 0 k v 变电站 图2 一l 埕岛油田海上平台布局图 2 2 埕岛油田海上电网的特点 埕岛油田海上电网经过多年的建设及发展，已经形成了一个相对独立及完整的 变配电和发电相结合的体系。海上电网以陆地网电为依托，自发电为后备，接体电 源供电可靠性较高；以中心平台为主导，各卫星井组平台为支撑，通过6 k v 海底电缆 采用放射式和链式组合向各井组平台供电，网络结构简单，中心平台电网调度及可 控性较好，但另一方面，这种链式电网结构，也对各井组平台的供电可靠性提出了 较高的要求，例如：一旦电网前一级的平台出现故障导致开关跳闸时，将对下一 级串联的多个平台产生影响。因此，如何提高每个井组平台的供电可靠性，对于整 个电网都具有极其重要的意义。 1 9 浙江大学硕士学位论文 埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 埕岛油田海上电网的用电负荷主要以各类采油电潜泵、螺杆泵为主，主要辅助 生产负荷为大功率电加热器、不问断电源u p s 、1 1 0 v 和2 4 v 直流盘、原油外输泵及注 水泵等。近年来，埕岛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，油田钻采系统与油气集输 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传动系统，例如变 频器在采油中的大量应用，以及随着自动化控制水平的提高，在油田电系统中电力半 导体整流装置的使用日益增多。上述这些新技术的广泛应用，一方面使电网节能及 控制水平得到提高，但另一方面也使埕岛电网中谐波含量大幅增加，导致电网供电 质量下降，由此带来的电网故障次数也呈现上升趋势。因此，埕岛油田电网的谐波 治理问题是势在必行。 2 3 埕岛油田海上电网的设备选择 埕岛油田处于渤海湾南部的浅海海域，海域水深1 2 米左右，中心平台离岸约l o 公里，对海上电网的谐波治理，任何电气设备及材料的选择，均应符合中国船级社 的船检要求，为船检合格产品；同时海上电气设备的设计应采用符合国家现行有关 标准、效率高、能耗低、性能先进的电气产品州。 2 3 1 埕岛油田海上电气设备工作环境要求 根据埕岛地区的海洋气候及环境条件，总结出所有谐波治理电气设备均应在下 列环境条件下能正常工作： a ) 环境空气温度和初级冷却水温度见表2 l ，但适用于电子设备的环境空 气温度的上限为5 5 ； 2 0 浙江大学硕士学位论文埕岛海上配电系统谐波分析及治理方案研究 表2 1 环境空气温度和初级冷却水温度 介质部位温度( ) 封闭处所内 5 4 5 空气 温度超过4 5 和低于o 的处所内按这些处所的温度 开敞甲板 一2 5 4 0 水 水的冰点3 2 注：例如：泥浆搅拌池、循环泵舱在钻井、采油作业期间会出现6 0 的高温i ( 多由于盐和其他杂物的存在，海水的冰点低于o 。 b ) 平台正常工作中所产生的振动和冲击；振动等级见表2 2 表2 2 平台正常工作中所产生的振动和冲击 振动参数等级 处所 频率h z 位移幅值l d i l 】加速度幅值m s 2 2 1 0 l 一般舱室 l o l o o4 c ) 平台上电气设备所受盐雾腐蚀等级，见表2 3 表2 3 平台上盐雾腐蚀等级 盐雾参数等级处所 0 5 一般舱室 盐雾m g m 3 2 o 户外露天甲板 d ) e ) f ) 埕岛海上平台中一般舱室的湿度如下：温度为+ 3 0 时，湿度为9 5 电气设备还应能抵抗海上平台的霉菌环境； 如果电气