杜长明----海洋油气田电力系统谐波治理-- 15p.doc

海洋油气田电力系统谐波治理杜长明（中海油能源发展股份有限公司油田建设电气仪表自动控制技术服务中心 天津 300452）摘要： 在海洋平台电气系统中，一些重要的泵类（原油外输泵、油水循环泵、电潜泵等）VFD变频启动装置、钻机模块如泥浆泵、顶驱、绞车等VFD变频调速装置、UPS不间断电源等非线性负载产生大量的高次谐波，如果过不加以治理，将造成严重的危害。本文结合陆丰13-1/2平台电网系统，给出平台电网谐波分析过程及谐波治理方案的确定，同时比较了无源滤波和有源滤波特点，并介绍了有源滤波装置的工作原理。关键词：海洋平台；谐波治理；无源滤波；有源滤波 在LF13-2平台有三套容量为520KVA和两套55KW的变频驱动（VFD）装置，它由480V，60HZ的母线供电，经由整流器，逆变器等再向电潜泵提供变频电源。在整流器输入电流中有相当数量的谐波的存在，其中整流器为6脉冲整流器，根据整流原理，在工作过程中会产生很大的非正弦畸变电流，对电网造成严重干扰，并导致480V母线端产生畸变，为净化电网，消除谐波危害，现就低压母线侧（0.48KV）进行谐波分析和治理，LF13-1和LF13-2电力系统简化单线图描述如图1所示 图1 LF13-1和LF13-2电力系统单线图1. 平台电网谐波量计算 三台电潜泵的功率分别为121KW、278KW、257KW,另一套处理供应泵功率为55KW,总功率为711KW，效率为0.85， 功率因数为0.83，则电流为： I1=711KW/1.732/0.83/0.85/0.48=1212AUPS电源整流充电器为15KVA，所以电流为：15 /1.731/0.48=18A因此按最大情况考虑，总负荷电流为：1212A+18A=1230A对于六脉波的整流器，各次的谐波含量如表1所表示表1 六脉波的整流器各次电流谐波含量15711131719232510.260.0950.0670.0430.0290.0230.0130.012电流（A）1230320116.982.456.635.728.316.014.8因此总谐波电流取为通过上述计算分析可以得知，电流总谐波畸变率不满足电能质量 公用电网谐波 GB/T14549-93 THDi5%的谐波限制标准,因此需要进一步采取措施进行谐波抑制。2. 谐波治理方案比较和确定 进行谐波抑制同时，不应与系统发生谐振造成谐波放大，致使系统不稳以至于崩溃，通常采取无源滤波或有源滤波措施，无源滤波无功补偿和谐波滤除无法同时兼顾，特别是高功率因数、大谐波电流的条件下，谐波滤除率就的大打折扣，甚至不能滤波；滤波特性依赖于电网系统的短路阻抗，当电网阻抗值大时滤除率高，否则，反之；滤波器容易与系统形成谐振回路，在某一特定谐波次数上产生谐波放大甚至谐振，造成系统不稳以至于崩溃；大多数的情况下不可能对所有的特征谐波装设调谐支路，因此不能完全滤除特征谐波和非特征谐波；当谐波频率低于最低调谐频率时，阻抗特性变坏；无源器件体积较大，如电容和空心电抗器，需要较大的安装空间；如果采用铁心电抗器则易于出现铁心饱和、电抗器发热、噪声大等问题；当补偿对象谐波电流过大时，容易发生过载现象。 相对于无源滤波，有源滤波实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率需求进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；补偿无功功率时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；即使补偿对象谐波电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；不受电网短路阻抗的影响，不会和系统电网发生谐振；能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 结合无源滤波和有源滤波特点，在如下工况中选择有源滤波方案（1）当系统功率因素较高时（如中频炉、变频器等谐波源负载），为达滤除效果及不造成对系统过补时；（2）当系统阻抗变化较大或处于多种并网方式运行时，为避免多种不同阻抗的系统与滤波装置谐振时；（3）当负载为多种谐波源负载共网运行时，其特征谐波量及次数不一，最好选用有源方式滤波；（4）当对电网质量要求较高，对谐波滤除率要求高的场合（如精密加工、数据中心、国防军工） 由于在陆丰13-1/2项目中，系统发电机在1至4台之间，根据负载情况，可随机投入发电，所以系统的阻抗是变化的，若设置多条滤波支路这样就存在多个谐振点，同时系统阻抗是变化的，这样就存在大量的谐振的技术风险，由于阻抗的变化，其滤除效果受影响而各有不同，鉴于以上分析，综合考虑，选择并联有源滤波装置。3. 有源滤波装置选型及原理分析 根据以上谐波量计算及所确定的滤波方案，表2给出所选择的有源滤波装置型号：表2 滤波装置型号及参数列表有源滤波补偿装置附 件/备注名称型号规格数量Accusine并联有源滤波器Accusine-3L-300A1套配3000/5 CT 2个Accusine有源滤波器主要针对整流器、变频器、大型UPS、中频炉、电弧炉等工业型大容量非线性负载。Accusine外部工作原理如图 2所示：图 2 Accusine外部滤波原理图 Accusine有源滤波装置并联于电网系统中，可等效为一个受控电流源，通过实时检测非线性负载产生的谐波电流，Accusine快速产生与其大小相等、方向相反的补偿电流并注入系统，从而将电源侧电流补偿为正弦波，达到滤除谐波的目的。Accusine有源滤波装置内部原理图3所示，图 3 Accusine内部滤波原理图 断路器合闸后，AccuSine首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，当母线电压Vdc达到额定值后，预充电接触器闭合。直流电容作为储能元件，为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。AccuSine通过外部CTe采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和监测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和AccuSine已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。4. 有源滤波方案实施图 4 LF13-2谐波治理方案图图4给出LF13-2谐波治理方案图， 安装点为变压器低压侧总进线处，如图4中所标示的“安装点” 。Accusine采取立式安装，连接电缆从柜体上部连接到系统母排上，进线方式为上进线。5. 结论 近年来变频器因为其驱动电动机系统节能明显、调节方便等特点在海洋平台电力系统中得以越来越多的应用，但同时因为它非线性的工作方式产生的高次谐波给海洋平台电网系统带来了一定的影响，对其他电气设备造成损害，其危害已不可忽视，因此带来了海洋平台电力系统谐波分析的必要性和谐波治理的紧迫性，在实际的谐波治理过程中，应因地制宜选择合适的谐波治理方案。参考文献1George J Wakileh. 电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计M. 北京：机械工业出版社.2吴忠智，吴加林.变频器应用手册