海上油气田电网谐波抑制技术的研究

王晶 刘博 余刚

摘要：随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。

本文以中海油某海上设施（下文统称为A平台）电网为研究背景，系统介绍A平台电网的组成及特点，根据平台的技术要求并通过大量谐波理论的研究及介绍，分析了海上油气田电网谐波治理的实用方法，并通过比选最终确定了可行方案，提出了利用有源滤波器（APF）对海上油气田电网进行谐波治理的方案。通过实地检测该设施电网谐波特点和相关技术数据后，对谐波治理方案进行了总体设计，最后搭建了仿真系统，得出了较好的仿真结果，验证了方案实施的可行性,仅供参考。

关键词：电网；谐波危害；非线性负载；海洋石油平台；有源滤波

引言：A平台是位于渤海湾内的一座固定式采油平台，距离海岸线约200海里，海域水深约30米。由于距离陆地较远，陆地电网对其供电无法实现，所以采用平台自发电的供电方式，为海上平台的采油、注水、原油外输、海水处理、消防、生活等负荷供电。

目前A平台装有3台5500kW燃气透平发电机。工作状态为两用一备。近年来，A平台日益广泛地采用高新技术、高效益的交直流传动系统。同时为适应地层工艺采油方式对液量不断变化开采的要求，油田钻采系统的驱动装置逐步由恒速的交流电动机传动改为可调速的电气系统，例如变频器在采油中的大量应用。另外，变压器等非线性负载都会在电网中产生无功和不同频率与幅值的谐波。随着平台负荷的不断增加，平台无人值守的逐步实施，对供电可靠性的要求越来越高，电网的供电质量日益受到关注。

一、谐波的产生

对于海上油气田电网，其谐波主要来源于电力电子设备如变频器、UPS、电动机的软启动器等非线性负荷在电气系统中的应用日益广泛，使谐波分量迅速增长，导致海上平台电力系统谐波水平逐年升高。

电网运行中的主要非线性负载装置有以下几种：开关电源的高次谐波、变压器空载合闸涌流产生谐波、单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰、电压互感器铁磁谐振过电压、整流器和逆变器产生的谐波电压、电流。

二、谐波的危害

谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流谐波电压增加,其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。谐波研究的意义，在于谐波的危害十分严重，主要表现在以下几个方面：

1、影响变压器工作

谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热，增加变压器损耗。

2、影响继电保护及自动装置

以电压或电流量的变化而动作的装置，在基波分量未达到整定动作值时，会与较大的谐波分量叠加，其合成的综合值超过整定值时会使装置误动。

3、增加电容器的损耗

谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起谐波电流放大。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损坏中电容器占有最大比例。

4、增加输电线路功耗

谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。

三、谐波的治理

（一）A平台电力系统概述

A平台的电力系统采用集中供电的形式，即其主电站安装在上部甲板上，有3台透平发电机组，发电功率为5500kW,输出电压为6.3kV，频率50Hz。。它们运行时，发出的电除了供A平台用电外，还通过海底电缆，向3座下辖井口平台供电。经过多年的建设改造，A平台供配电系统已经形成了一个完整、独立的电网。

目前的供配电系统主要包括：一座中心平台及3座子平台；10.5kV海底电缆全长约10km，3.3kV海底电缆全长约3km。除了3台透平发电机，还有1台1100kW应急发电机组及高低压配电装置等，为平台注水、原油生产外输、海水处理、消防等负荷供电；每个井口平台上设有高低压开关室、变压器等；由于采油工艺的要求，已将A平台的电潜泵驱动装置由传统的工频驱动升级改造为一对一变频驱动。

（二）治理方案的选择

根据海上平台的特点以及A平台供配电系统的实际情况，A平台主MCC房间无备用回路，布置上也没有足够的空间放置可能新增的电气设备；变压器间无足够空间放置新增的变压器。由此可以看出，在海洋油田电力系统的治理过程中，平台空间是一个不容忽视的问题。综合比较几种常用的谐波治理方案，同时考虑陆地设备应用到海洋平台的可靠性和设备的体积不能太大，利用有源滤器对A平台电网谐波进行治理是比较理想的方案。

有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经放大电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。

与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：

(1) 对功率器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果。

(2) 当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响。

(3) 不会与电网发生串或并联谐振现象，且能有效地抑制系统与无源滤波器之间的谐振；

(4) 不存在过载现象，当负载谐波电流较大时，仍能继续运行。

四、仿真分析研究

本课题借助三相可控整流桥为例进行有源滤波器的仿真。整流桥负载为阻感负载，功率因数0.7；晶闸管控制角为60 ，电网侧功率因数达不到要求。由于整流桥采用6脉冲整流，产生较大的5、7次谐波，11、13次谐波也很大。

图4-1是A平台电网谐波抑制装置实验仿真原理图，其中包括：

1、负载电路：负载运行于380V电压等级下，用三相整流桥模拟出典型的谐波。

2、控制系统：将检测的电压、电流信号采集后，计算出谐波含量并进行谐波滤除。

图4-1 A平台电网谐波抑制装置原理图

考虑海洋平台的特殊性，对0.4kV配电网进行分组补偿是最合理的方案。理由如下：

1、海上平台属于有限大电源电力系统，其电网分布不大，且自带电站进行供电，如果采用集中补偿方案，电网谐波仍在电源和负载之间，补偿效果较差；

2、平台电网采用6.3kV供电，如果在6.3kV设备之间进行谐波补偿，则存在实施中的难题，即对高压设备补偿的可靠性和平台空间的局限性。因为滤波器的体积大，无法满足平台对空间的要求。

3、海洋平台电网传输距离比较近，采用分组谐波抑制方式即可取得近似于就地谐波抑制的效果，且在0.4kV变压器下端安装滤波器，无论是从可靠性还是对平台空间的要求上都是可以实现的。

图4-2所示为加入有源滤波器后的主电路电流波形，由图可以看出，经过谐波抑制后的主电路电流波形已是理想的正弦波形，再次进行傅里叶分析后可知，抑制后电网电流畸变率已降低至0.53%，此时的电网电能质量已近乎完美，完全符合国家规定和行业标准。图5-3为主电路电流进行谐波抑制后的傅里叶分析后的电流频谱。

图5-2 滤波后的主电路电流波形

图5-3 主电路电流进行谐波抑制后的傅里叶分析结果

结束语：

为了适应海油的发展，平台的扩建在所难免，鉴于海上平台空间造价高这一矛盾，同时考虑对安全性的特殊要求，通过对本课题的研究，对海洋石油平台今后的设计建设具有指导意义。

参考文献

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