海上平台谐波滤波设计

张 强，于 聃，张丽娜



海上平台谐波滤波设计

张 强，于 聃，张丽娜

（中海油研究总院，北京 100028）

本文介绍了海洋平台谐波的产生与治理,并以渤海某油田项目实例，给出如何根据谐波分析的计算结果来选择滤波方案。通过对有源滤波器和无源滤波器两种方案的比较，给出适用于海上平台的消谐方案和提高海上平台电网质量的建议。

有源滤波器 无源滤波器 谐波治理 变频器 无功功率

0 引言

近年来海上石油平台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利用变频器进行调速的电气传动系统。变频器普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，向电网中注入了大量的高次谐波。谐波的表现形式主要为电流谐波与电压谐波两种方式，其中电流谐波主要取决于负载大小及相关的回路阻抗等，电压谐波取决于回路阻抗与总谐波电流[1]。

1 谐波的危害与治理

1.1 谐波危害

海上平台电力系统通常由发电机、电动机、变压器、电容器及海缆线路等组成。谐波电流会造成上述设备产生附加损耗，使电气设备的温度、振动和噪声升高。谐波电流还会对继电保护装置、自动化控制装置产生干扰，引起继电保护装置的误动，此外谐波产生的谐振过电压过大还会造成电网设备的损坏，因此谐波对于海上平台电力系统的影响不容忽视。

1.2 谐波标准

为了降低上述风险，我国国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》中对电压和电流谐波分量作出了具体规定，如表1和表2所示。

表1 公用电网电压谐波分量限制表

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值

1.3 谐波治理方法

针对谐波产生的原理，可以采用下列方法减小谐波：

1） 增加换流装置的相数或脉冲数，减少换流装置产生的谐波电流。

2） 使用隔离变压器为非线性设备集中供电[2]。

3） 采用有源或无源滤波器进行滤波。

改变非线性负荷接入电网的接入点。高压电网的短路容量大，有承担较大谐波的能力，宜把谐波产生容量大的设备接入到高一级电网的母线。

2 谐波分析及滤波器选型方案对比

2.1谐波分析计算

本实例以渤海某油田项目来说明海洋平台谐波治理的解决方案，WHPB平台不设主电站，其用电来自13 km外的电站平台。该油田的电力系统如图1所示。

图1 油田设施电力系统图

WHPB平台配有两台6.3/0.4 kV 变压器, 分别为平台的工艺、公用及电潜泵负荷供电，每台变压器所带的最大计算负荷如表3所示，其中电潜泵采用的是一对一变频控制，变频器使用的是施耐德6脉冲的ATV61 系列，容量分别为160 kW和250 kW为两种。

表3 平台用电负荷统计表

使用ETAP“谐波潮流计算”程序，可以得到母线总的谐波电压畸变度（THD%）以及单次谐波电压畸变度，支路的各次谐波电流。通过计算可以看到16套变频器产生了大量的谐波电流，恶化了电源质量。WHPB平台0.4 kV母线电压畸变结果以及0.4 kV母线LA段、LB段的进线谐波电流结果分别见表4、表5，其电压、电流谐波畸变率远超过IEEE519和国标GB/T 14549限制值。

表4 母线电压畸变结果

表5 变压器二次侧谐波电流结果

2.2滤波器方案选择

海上石油平台中针对电潜泵谐波抑制通常采用“一对一的变频器加无源滤波器”或“有源滤波器”方案，以下分别就两种方案分别阐述。

2.2.1无源滤波器方案

无源滤波器组成主要由电容器、电抗器、电阻器串联而成。滤波器并联在含有谐波的电网上，根据需要补偿无功功率和滤除谐波[3]，其系统图如图2所示。每一台施耐德变频器均配置了同等容量的前置无源滤波器，本项目共需要配置16套前置无源滤波器。

图2 电潜泵“无源滤波方式”

图注：①160 kW变频器②250 kW变频器③无源滤波器⑤公控盘

2.2.2有源滤波器方案

有源滤波器采用基于瞬时无功功率理论的检测技术和IGBT功率变换装置,实时检测谐波电流,通过瞬时电流跟踪控制,自动跟踪电网谐波变化,通过IGBT逆变出与系统谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现消除谐波的功能，具有高度可控性与快速响应性，在负载突变的情况仍然具有良好的谐波补偿效果[4]，其系统图如图4所示。每段母排的谐波计算电流均不超过600 A，因此每段母排可设置两套300 A的有源滤波器。

图4 电潜泵“有源滤波方式”

有源滤波器采用模块化配置，简单灵活、体积小巧、安装便捷，每个模块独立工作，通过数字信号处理器（DSP）的控制同时滤除多种选定的谐波、并可进行无功功率补偿和三相不平衡补偿。

有源滤波器可以对整个电网的设备进行谐波治理，而无源滤波器只能解决个别设备产生的谐波，相比之下有源滤波器具有更好地谐波治理效果，它的无功补偿能力也将提高平台供电系统地效率，提高电能利用律。对两种滤波方式分别进行电潜泵控制间布置，有源滤波器布置方案（图5）要比无源滤波器布置方案（图3）节省面积20%，更有利于平台的总体布置，因此海洋石油平台应用有源滤波器比无源滤波器更具有优势。

图3 电潜泵“无源滤波器布置方案”