海上平台电力系统谐波的分析及治理

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摘要：本文通过对某海上石油平台电力系统谐波进行分析和治理，旨在节能降耗、改善平台电能质量的同时，提高电气元器件的运行环境，保障平台电力系统安全稳定。

关键词：谐波检测;有源滤波器;谐波治理

某海上石油平台电力系统由2台燃气发电机组成，单台发电机容量为550kV，正常生产情况下，一台发电机单独运行；启动大功率负载时，2台发电机并网运行。平台电力系统的主要负载有海水泵、空压机、吊车、电伴热、照明以及一些小功率加热器。随着平台油气不断开发，石油天然气的地层压力降低，油井自喷能力下降，为提高采收率，在增加采油电潜泵的同时，也需要增加地面变频设备。地面变频设备投入使用后，电力系统继电保护装置开始出现频繁误动作。经过分析、试验和测量后发现，电力系统内谐波含量超出了国家相关标准，并已影响到平台电力系统的稳定运行。本文以该海上石油平台为例，主要介绍平台电力系统谐波分析与治理的过程。

1谐波来源

谐波一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其大于基波频率的电流产生的电量。当正弦波电压施加在非线性负载上时，会因为振荡等其它原因产生非正弦波电流，含有非正弦波电流的电路中就会有谐波产生。在平台上，谐波产生的主要来源有发电机、电力变压器和电力电子设备。1.1发电机。发电机三相绕组的非绝对对称性，导致其在运行过程中会产生少量谐波。1.2电力变压器。设计电力变压器时，为追求利益最大化，通常将运行工作点设置在临近饱和区的拐点位置。变压器投入运行后，较高的铁心饱和度使其工作点偏离了线性曲线，磁化电流波形不能保持为正弦波，而是呈现出尖顶波形状，这样就会产生一定量的奇次谐波。同时，非正弦波形的励磁电流，也会产生一定量的谐波。1.3电力电子设备。随着海上石油平台从自动化向智能化快速发展，大量电力电子设备开始广泛投入应用。平台上的电力电子设备主要有：变频器、蓄电池充电器、卤化物灯、不间断电源及应急电源、电脑、传真机、复印机、节能灯、变频空调、电磁炉和电磁灶等。在电力电子设备大量使用之前，最主要的谐波源是变压器，其次是发电机，但是随着电力电子设备的大规模应用，电力系统内的变频、整流设备成为了最主要的谐波源。

2谐波的危害

谐波在电力系统中具有很大的破坏性，主要表现为以下几点。谐波对供电设备的危害：增加发电机和变压器的损耗，使设备温度升高，造成过热损坏，降低发电机和变压器的运行效率；增加电缆温度，加快绝缘老化速度。谐波对用电设备的危害：扰乱敏感性较强负载的正常运行，使这类负载容易产生误动、使电子设备数据传输时产生错误，电子式仪表测量误差增加，计量混乱；使保护装置产生误动、拒动，使自动控制系统失效；使交流电机振动增大，产生不正常的声音；对电路产生电磁干扰，产生噪声，降低通信质量，严重时会导致数据丢失，使通信系统无法正常工作。谐波对电网的危害：谐波会使电能的质量指标变差，波形越来越远离正弦波；还增加电网运行电流、消耗电网中的无功功率，增加电网的负担。

3谐波检测

根据平台设备容量、特性和负载变化情况，初步判定平台电网谐波主要由2台新增变频器产生，现使用FLUKE125对平台电网进行谐波检测，并对相关的数据进行了记录。

4数据分析

通过对谐波检测结果进行分析，得到以下结论：变频器运行前，平台电网存在谐波，THDu%=0.33%，THDi%=10.7%，谐波含量少，对整个网络有一些影响；运行一台变频器，变频器对电网侧产生的电流谐波较大，THDi%=55.5%；2台变频器同时运行，THDi%=53.3%，变频器对电网侧产生的电流谐波相对于变频器单台运行时变化不大；2台变频器同时运行，变频器对电网侧产生的电压谐波有显著变化，由17.3%增大为30.9%。2台变频器同时运行，均向平台电网中输送大量谐波，整合至整个平台电网后，电网电压和电流都发生了畸变，电压畸变率为27.5%，电流畸变率为53.3%，已经影响平台其他设备的正常运行。同时电网中还存在大量高次谐波，对用电网络内的元器件造成了严重的影响，对设备也造成了一定程度的损伤。为避免或者降低谐波对设备的影响和损伤，需要对平台电网进行谐波治理。

5方案选择

目前谐波治理的措施主要有3种：一是受端治理，从受到谐波影响的设备或系统出发，提高其抗谐波干扰能力；二是主动治理，从谐波源本身出发，降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，在谐波源与公共电网的连接之间加装谐波滤波装置，将谐波源产生的谐波滤除或抵消，从而阻止谐波注入公共电网。目前低电压领域应用最多的是被动治理措施，被动治理措施主要采用加装无源和有源滤波器2种方式。5.1无源谐波滤波器。无源滤波器（PassivePowerFilter）简称PPF，主要由电阻、电容和电感组成[1]。通过不同组合，对特定谐波形成一条低阻通道，让特定的谐波流入无源滤波器内，保证电网电质的纯净，达到对特定谐波的抑制。无源滤波器结构简单，价格低，但是一台变频设备需要配置一台无源滤波器，在结构紧凑、“寸土寸金”的海上石油平台，无源滤波器的性价比优势，因为其占用空间大的缺点而大大降低[2]。无源谐波滤波器选型上要求滤波器额定电流必须与被治理设备额定输入电流相等，并调谐某个特定谐波频率，只能消除固定的谐波，受电网系统参数影响较大。5.2有源滤波器。有源滤波器（ActivePowerFilter）简称APF，主要由控制器、逆变器和电容器组成，工作时须要提供外部工作电源。有源滤波器通过检测负载侧的电流及电压信号，并将检测到的模拟信号通过内部指令电流运算电路和电流跟踪控制电路转换成数字信号，经过高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将电路中的谐波与基波进行分离，并向补偿电流发生回路输出驱动脉冲，控制IGBT生成与谐波电流幅值相等，方向相反的补偿电流并注入到含有滤波的回路，补偿电流是根据电网中的谐波分量动态变化的，不会出现过补偿，而且有源滤波器内部有过载保护功能，当电网内谐波分量大于有源滤波器提供的补偿容量时，滤波器过载保护功能启动，限制有源滤波器的输出容量，起到保护滤波器的功能。5.3特性比较。解决电网谐波污染问题的传统方法是釆用无源滤波器，但由于易受电网参数影响，且只能补偿固定频率的谐波等缺点，已逐渐不能满足谐波污染治理方面的要求。有源滤波器克服了无源滤波器的固有缺陷，具有高度可控性和快速响应特性，能动态跟踪补偿电力系统的各次谐波，动态特性优良。有源滤波器比无源滤波器运行稳定，使用年限长，设备体积小，可实现弹性的容量配置和后续的容量扩展，而且具备主动消除谐波能力。非常适用于整体结构紧凑，可利用空间十分有限，电网容量较小的海上平台。

6滤波器安装运行

根据平台测量谐波数据，分析计算得出平台电网谐波电流约为152~212.8A，初步选用有源滤波柜的额定电流为200A。为了后期可以继续扩容，开关容量选择为630A的框架断路器。有源滤波器安装投用后，现场同时启动2台变频器，通过有源滤波设备集中监控屏，监测APF开机之前与开机之后的数据，并进行详细的记录。由记录数据可知，有源滤波器开启前，电压畸变率27%，电流畸变率53%，不满足国家标准中规定的电压畸变率低于5%的要求；APF设备开启后，电压畸变率降低到1.7%，电流畸变率3.5%，满足国家标准，APF设备投入使用后谐波治理效果明显。有源滤波器运行期间，平台电力系统运行稳定，没有再发生继电保护装置误动作事故。

7结束语

新增2台电潜泵变频器运行产生的大量谐波，不仅降低了电能的生产、传输和利用效率，还引起了继电保护误动作。利用新技术通过安装有源滤波器，有效地改善了平台电网的质量，降低了电压电流畸变率，解决了平台电网存在的谐波问题，为平台电站安全稳定运行提供了保障。

参考文献

[1]吴月平.电能质量治理[J].电气工程应用，2008.（2）：26-32.

[2]邱银锋.海洋石油平台电网电能质量现状与谐波治理[J].科技与创新，2016（4）：1-2.

作者:刘志强 单位:中海石油(中国)有限公司天津分公司