海洋石油平台电网谐波的治理

2014-06-01

中国设备工程 2014年5期

关键词：有源谐波变频器

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

海洋石油平台电网谐波的治理

朱新宇

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030）

针对部分海洋石油平台变频电潜泵产生的高次谐波严重污染电网的问题，采用有源滤波器及波反射阻尼器复合控制方式，消除谐波、降低能耗、节约维修成本、提高生产时率。

变频电潜泵；高次谐波；有源滤波器；波反射阻尼器；节能降耗

一、存在问题

谐波产生原因

谐波是指对周期性非正弦交流电量进行傅立叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频50Hz相同的分量。

电网谐波产生的根本原因是非线性负载所致，主要包括变频器、软启动器、整流器、交直流大功率电机。其中以5、7次谐波最为显著，给平台电网造成严重污染。

2．故障情况

某海洋石油平台已经运行10几年，出于采油需要共安装4台变频器用于控制井下的电潜泵，但电潜泵的故障一直居高不下，电潜泵的电缆及电机的损坏频率极高，影响了生产时率。近期一些重要的电气设备也频频出现故障，如主UPS逆变器故障、电潜泵变频器控制柜烧毁、升压变压器两次闪爆等。该电潜泵变频器生产于上世纪90年代，其本身在抗干扰设计上存在很大缺陷，所产生的高次谐波以5、7次谐波为主，危害严重。

二、解决方案

1．谐波测试

谐波测试用仪器为日置PW3198电能质量分析仪，可以提供电力运行中的谐波分析及功率品质分析，能够对电网运行进行长时间的数据采集监测。主变压器二次侧谐波电流亦以5、7次为主，其中5次谐波电流达195．28A，7次谐波达到79．92A，总电流畸变率达到9．29%。电潜泵支路由于变频器的存在产生大量谐波，A1电潜泵变频器输入侧总电流畸变率49．15%，以5、7、11、13、17等次为主；A1电潜泵输出侧电压、电流严重畸变，电压畸变率达到35．18%，电流畸变率达到36．86%。平台共有4台电潜泵变频器，长期运转，对平台电网的冲击危害较大，电潜泵变频器侧电网谐波畸变率高达40%，远超国家标准，因此可以判断近期的故障频发与其有密切关系。主要谐波源即为电潜泵变频器，变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流，同时利用晶体管及逆变模块进行逆变，在其逆变过程中，在输入输出回路产生大量的高次谐波，以5、7次谐波电流为主。

2．谐波危害

(1)降低电机的效率、增加电机温升。高次谐波引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，温升比纯净电网中的电机增加10%～20%，导致大量的能源损耗。

(2)损坏电潜泵绝缘。变频器采用PWM控制方式，其载波频率约为几千到十几千赫兹，高频谐波经过长距离电缆传输，在电机端产生直流母线电压2倍以上的过冲电压，损坏电机的绝缘。

(3)使电机产生电磁噪声与震动。各次谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，产生共振现象。

(4)导致电容器击穿。电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流放大。

(5)导致变压器过热甚至烧毁。高次谐波在变压器中产生附加涡流铁损。

(6)导致电缆严重发热，绝缘老化。谐波电流使电缆趋肤效应加剧，导致导体有效面积减少，通流能力降低。

(7)导致断路器跳闸，危害系统稳定运行。变频器运行时输出电压中的谐波分量，使电动机绕组与外壳之间、以及导线对地之间产生寄生电容，这些寄生电容通过导线与地、机壳与地构成漏电电流通路，当这个漏电流大于漏电断路器的整定电流值时，漏电断路器就会动作于跳闸。

(8)对通信系统产生干扰，监视器无法正常工作。电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话和图像的清晰度。

3．治理方案

采取加装有源电力滤波器（APF）为主要的解决方案。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率变化的谐波以及变化的无功进行补偿。考虑到电潜泵变频器为主要的谐波源，如果在电网母排上单独加装有源滤波器，无法彻底消除其下行的谐波，其仍旧会对电潜泵的电缆及电机造成长期的危害。因此采用了有源滤波器加波反射阻尼器的复合控制方式，在每台电潜泵变频器的输出端并联一台波反射阻尼器，吸收高次谐波，虽然效果无法与有源滤波器相比，但同样可以极大地改善电网的质量，降低改造的成本。

公司通过外协，在APF中运用可靠性高的军工级的FPGA等优质器件，采用LCL的结构输出滤波控制方式，保证APF补偿时IGBT高频开关产生的高次谐波不会注入电网，补偿效果更好，同时适应于任何现场电网系统阻抗，不会发生谐振，保证装置安全（图1）。

三、方案实施

1．有源滤波器

图1 系统配电图

平台电网系统有两台3 300V/400V变压器，1用1备，LA段上端变压器投入使用，LB段上端变压器备用，LA、LB段之间母联闭合。平台共有4台变频电潜泵，电潜泵上端的变频器为主要谐波源，选择测试点A（LA段上端变压器输出端）测试，现场只有A7变频器投入使用。

有源滤波器投入使用后，系统电流变为标准的正弦波，电流畸变率由4．6%降低为0．46%；电压畸变率由2%降低为1%；系统电压有效值由387V升高为393V；功率因数从0．78上升为0．93；系统无功功率由0．653MVar减小为0．3MVar；三相视在功率由1．058MVA降低为0．883MVA；消除了配电系统中5、7、11、13次主要谐波电流。

2．波反射阻尼器

消除高次谐波下行对电潜泵电缆和电机的危害非常重要，所以在每台变频器升压器的输出端并联波反射阻尼器，用于吸收高次谐波。

波反射阻尼器投入使用后，变压器高压侧输出端4．95kHz的高次谐波电压被滤除；峰值电压由2．47kV降为2．12kV，降低了350V，大大降低了高次谐波电压对电潜泵的伤害。此外还要考虑到电潜泵的输电导线长度所带来的影响，该导线长为1800m，电压波传至海底电潜泵终端，再由终端发射回一个行波，因导线的寄生电感和寄生电容效应，电压波形最终在变压器输出端和电潜泵终端叠加，震荡成高次谐波电压，所以实际的电缆终端和电机所承受的峰值电压会超过2．47kV，更易被击穿。

3．有功线损计算

谐波电流在电网中传输时，电流流过电缆会会产生严重的肌肤效应，导致电流直接流过电缆线的表面，等同于流过电流的导线横截面大大减小约为原来值的1/10。由于铜导线长度、温度、电流的趋附效应，不能得到一个准确的输电导线电阻。假设APF补偿前和补偿后发电机输出电压不变，负载也不变。由表1可以计算出变压器出线端到APF补偿端输电导线电阻。