海上平臺電力系統諧波的分析及治理

導語：海上平臺電力系統諧波的分析及治理一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文通過對某海上石油平臺電力系統諧波進行分析和治理，旨在節能降耗、改善平臺電能質量的同時，提高電氣元器件的運行環境，保障平臺電力系統安全穩定。

關鍵詞：諧波檢測;有源濾波器;諧波治理

某海上石油平臺電力系統由2臺燃氣發電機組成，單臺發電機容量為550kV，正常生產情況下，一臺發電機單獨運行；啟動大功率負載時，2臺發電機并網運行。平臺電力系統的主要負載有海水泵、空壓機、吊車、電伴熱、照明以及一些小功率加熱器。隨著平臺油氣不斷開發，石油天然氣的地層壓力降低，油井自噴能力下降，為提高采收率，在增加采油電潛泵的同時，也需要增加地面變頻設備。地面變頻設備投入使用后，電力系統繼電保護裝置開始出現頻繁誤動作。經過分析、試驗和測量后發現，電力系統內諧波含量超出了國家相關標準，并已影響到平臺電力系統的穩定運行。本文以該海上石油平臺為例，主要介紹平臺電力系統諧波分析與治理的過程。

1諧波來源

諧波一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其大于基波頻率的電流產生的電量。當正弦波電壓施加在非線性負載上時，會因為振蕩等其它原因產生非正弦波電流，含有非正弦波電流的電路中就會有諧波產生。在平臺上，諧波產生的主要來源有發電機、電力變壓器和電力電子設備。1.1發電機。發電機三相繞組的非絕對對稱性，導致其在運行過程中會產生少量諧波。1.2電力變壓器。設計電力變壓器時，為追求利益最大化，通常將運行工作點設置在臨近飽和區的拐點位置。變壓器投入運行后，較高的鐵心飽和度使其工作點偏離了線性曲線，磁化電流波形不能保持為正弦波，而是呈現出尖頂波形狀，這樣就會產生一定量的奇次諧波。同時，非正弦波形的勵磁電流，也會產生一定量的諧波。1.3電力電子設備。隨著海上石油平臺從自動化向智能化快速發展，大量電力電子設備開始廣泛投入應用。平臺上的電力電子設備主要有：變頻器、蓄電池充電器、鹵化物燈、不間斷電源及應急電源、電腦、傳真機、復印機、節能燈、變頻空調、電磁爐和電磁灶等。在電力電子設備大量使用之前，最主要的諧波源是變壓器，其次是發電機，但是隨著電力電子設備的大規模應用，電力系統內的變頻、整流設備成為了最主要的諧波源。

2諧波的危害

諧波在電力系統中具有很大的破壞性，主要表現為以下幾點。諧波對供電設備的危害：增加發電機和變壓器的損耗，使設備溫度升高，造成過熱損壞，降低發電機和變壓器的運行效率；增加電纜溫度，加快絕緣老化速度。諧波對用電設備的危害：擾亂敏感性較強負載的正常運行，使這類負載容易產生誤動、使電子設備數據傳輸時產生錯誤，電子式儀表測量誤差增加，計量混亂；使保護裝置產生誤動、拒動，使自動控制系統失效；使交流電機振動增大，產生不正常的聲音；對電路產生電磁干擾，產生噪聲，降低通信質量，嚴重時會導致數據丟失，使通信系統無法正常工作。諧波對電網的危害：諧波會使電能的質量指標變差，波形越來越遠離正弦波；還增加電網運行電流、消耗電網中的無功功率，增加電網的負擔。

3諧波檢測

根據平臺設備容量、特性和負載變化情況，初步判定平臺電網諧波主要由2臺新增變頻器產生，現使用FLUKE125對平臺電網進行諧波檢測，并對相關的數據進行了記錄。

4數據分析

通過對諧波檢測結果進行分析，得到以下結論：變頻器運行前，平臺電網存在諧波，THDu%=0.33%，THDi%=10.7%，諧波含量少，對整個網絡有一些影響；運行一臺變頻器，變頻器對電網側產生的電流諧波較大，THDi%=55.5%；2臺變頻器同時運行，THDi%=53.3%，變頻器對電網側產生的電流諧波相對于變頻器單臺運行時變化不大；2臺變頻器同時運行，變頻器對電網側產生的電壓諧波有顯著變化，由17.3%增大為30.9%。2臺變頻器同時運行，均向平臺電網中輸送大量諧波，整合至整個平臺電網后，電網電壓和電流都發生了畸變，電壓畸變率為27.5%，電流畸變率為53.3%，已經影響平臺其他設備的正常運行。同時電網中還存在大量高次諧波，對用電網絡內的元器件造成了嚴重的影響，對設備也造成了一定程度的損傷。為避免或者降低諧波對設備的影響和損傷，需要對平臺電網進行諧波治理。

5方案選擇

目前諧波治理的措施主要有3種：一是受端治理，從受到諧波影響的設備或系統出發，提高其抗諧波干擾能力；二是主動治理，從諧波源本身出發，降低諧波源產生的諧波；三是被動治理，在諧波源與公共電網的連接之間加裝諧波濾波裝置，將諧波源產生的諧波濾除或抵消，從而阻止諧波注入公共電網。目前低電壓領域應用最多的是被動治理措施，被動治理措施主要采用加裝無源和有源濾波器2種方式。5.1無源諧波濾波器。無源濾波器（PassivePowerFilter）簡稱PPF，主要由電阻、電容和電感組成[1]。通過不同組合，對特定諧波形成一條低阻通道，讓特定的諧波流入無源濾波器內，保證電網電質的純凈，達到對特定諧波的抑制。無源濾波器結構簡單，價格低，但是一臺變頻設備需要配置一臺無源濾波器，在結構緊湊、“寸土寸金”的海上石油平臺，無源濾波器的性價比優勢，因為其占用空間大的缺點而大大降低[2]。無源諧波濾波器選型上要求濾波器額定電流必須與被治理設備額定輸入電流相等，并調諧某個特定諧波頻率，只能消除固定的諧波，受電網系統參數影響較大。5.2有源濾波器。有源濾波器（ActivePowerFilter）簡稱APF，主要由控制器、逆變器和電容器組成，工作時須要提供外部工作電源。有源濾波器通過檢測負載側的電流及電壓信號，并將檢測到的模擬信號通過內部指令電流運算電路和電流跟蹤控制電路轉換成數字信號，經過高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將電路中的諧波與基波進行分離，并向補償電流發生回路輸出驅動脈沖，控制IGBT生成與諧波電流幅值相等，方向相反的補償電流并注入到含有濾波的回路，補償電流是根據電網中的諧波分量動態變化的，不會出現過補償，而且有源濾波器內部有過載保護功能，當電網內諧波分量大于有源濾波器提供的補償容量時，濾波器過載保護功能啟動，限制有源濾波器的輸出容量，起到保護濾波器的功能。5.3特性比較。解決電網諧波污染問題的傳統方法是釆用無源濾波器，但由于易受電網參數影響，且只能補償固定頻率的諧波等缺點，已逐漸不能滿足諧波污染治理方面的要求。有源濾波器克服了無源濾波器的固有缺陷，具有高度可控性和快速響應特性，能動態跟蹤補償電力系統的各次諧波，動態特性優良。有源濾波器比無源濾波器運行穩定，使用年限長，設備體積小，可實現彈性的容量配置和后續的容量擴展，而且具備主動消除諧波能力。非常適用于整體結構緊湊，可利用空間十分有限，電網容量較小的海上平臺。

6濾波器安裝運行

根據平臺測量諧波數據，分析計算得出平臺電網諧波電流約為152~212.8A，初步選用有源濾波柜的額定電流為200A。為了后期可以繼續擴容，開關容量選擇為630A的框架斷路器。有源濾波器安裝投用后，現場同時啟動2臺變頻器，通過有源濾波設備集中監控屏，監測APF開機之前與開機之后的數據，并進行詳細的記錄。由記錄數據可知，有源濾波器開啟前，電壓畸變率27%，電流畸變率53%，不滿足國家標準中規定的電壓畸變率低于5%的要求；APF設備開啟后，電壓畸變率降低到1.7%，電流畸變率3.5%，滿足國家標準，APF設備投入使用后諧波治理效果明顯。有源濾波器運行期間，平臺電力系統運行穩定，沒有再發生繼電保護裝置誤動作事故。

7結束語

新增2臺電潛泵變頻器運行產生的大量諧波，不僅降低了電能的生產、傳輸和利用效率，還引起了繼電保護誤動作。利用新技術通過安裝有源濾波器，有效地改善了平臺電網的質量，降低了電壓電流畸變率，解決了平臺電網存在的諧波問題，為平臺電站安全穩定運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳月平.電能質量治理[J].電氣工程應用，2008.（2）：26-32.

[2]邱銀鋒.海洋石油平臺電網電能質量現狀與諧波治理[J].科技與創新，2016（4）：1-2.

作者:劉志強 單位:中海石油(中國)有限公司天津分公司