ETAP軟件在海洋石油平臺電力系統諧波分析中的應用

張 強

（中海油研究總院 北京100027）

0 引 言

隨著電力電子設備的發展，海洋石油平臺上越來越多的電氣設備開始應用變頻器等非線性設備，這些非線性裝置產生大量諧波，使電壓和電流形成畸變，嚴重影響了海洋石油平臺電源的質量。

基于海洋石油平臺諧波問題的日益突出，需要認識海洋石油平臺諧波的特點，并結合諧波分析的結果制定出濾波方案。本文首先介紹ETAP軟件在諧波程序的主要內容，隨后通過南海某油田項目實例，介紹如何采用ETAP對平臺的電力系統進行諧波分析計算，并給出計算報告和初步確定濾波方案。

1 諧波的產生與治理

海洋石油平臺諧波污染主要來自變頻器，變頻器中普遍使用了晶閘管或者整流二極管等非線性整流器件，向電網中注入了大量的高次諧波。變頻器諧波的表現形式主要為電流諧波與電壓諧波兩種方式，其中電流諧波主要取決于負載大小及相關的回路阻抗等，電壓諧波取決于回路阻抗與總諧波電流［1］。

諧波的危害十分嚴重。它能使電氣設備過熱，產生振動和噪聲，使設備絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置的誤動作，對通信設備和電子設備產生嚴重的干擾。對于電能質量，許多國家和國際組織都制定了諧波的相應標準，如IEEE Std.519-1992中對諧波電流允許值作了相關規定：

當 Isc/IL＜20，TDD 限值為 5%；當 20＜Isc/IL＜50，TDD限值為8%［2］。其中：Isc為公共連接點的短路電流；IL為公共連接點的負載電流基波分量；TDD為總需求電流畸變率。

我國國家標準GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》中也對電壓和電流諧波分量作出了具體規定，如表1和表2所示。

表1 公用電網電壓諧波分量限制表

表2 注入公共連接點的諧波電流允許值

針對諧波產生的原理，可以采用下列方法減小諧波：

（1）增大整流回路的脈沖數；

（2）加大電流側的電抗，對電流諧波進行平波；

（3）增加有源或無源濾波器進行濾波；

（4）設備選型計算要合理，在滿足要求的前提下盡可能減少容量。

考慮使用的經濟性，海洋石油平臺通常采用無源濾波器來降低平臺的諧波水平。

2 使用ETAP軟件進行諧波分析及濾波器選型

2.1 ETAP軟件介紹

ETAP軟件是由美國OTI公司開發的一套全圖形化的電力系統仿真分析、計算應用軟件，該軟件擁有直觀、友好的操作界面以及強大而完善的計算分析功能，適用于核電站、海上石油平臺、煉油廠、發電廠等場合的電力系統分析和計算［3］。

該軟件集成了包括潮流計算、短路計算、暫態穩定性分析、發電機/電機啟動分析、諧波計算、優化潮流計算和繼電保護配合在內十余種計算模塊，實現了在一個工程內通過模塊切換按鈕即可完成所有計算，給使用者帶來了極大的方便。

ETAP諧波分析程序遵從IEEE 519標準，包含諧波潮流計算、頻率掃描分析，可對電壓與電流的總有效值（RMS）、合成峰值（ASUM）、各次諧波分量及總諧波畸進行計算，并可根據諧波計算的結果進行濾波器的設計及系統的共振檢查。

2.2 工程應用實例

本文針對南海某油田項目，利用ETAP軟件建立模型、進行諧波分析，然后根據分析結果利用ETAP軟件進行濾波器設計，并觀察濾波后的效果。

鉆采平臺DPP設有3臺額定功率為5 530 kW的原油發電機組作為平臺的主電站，正常運行時為兩用一備；同時低壓480 V還設有一臺1 000 kW的天然氣發電機與主電站并聯運行，為平臺上的工藝、公用、鉆機以及采油電潛泵等負荷提供電源。整個平臺的電力系統如下頁圖1所示。

2.2.1 諧波分析計算

本項目鉆采平臺DPP的母線LC段及LD段專門用來為電潛泵負荷供電，先期工程中先投入8口井，電潛泵均采用一對一交流變頻控制，變頻器使用的是施耐德 6脈沖的ATV61系列，容量為400 kW及500 kW兩種。本實例采用由施耐德提供參數建立的諧波源模型，變頻器中各次諧波的百分含量如下頁表3所示。

為了使用ETAP軟件進行諧波計算，首先要建立鉆采平臺的電力系統單線圖，將工程中需要使用的元件拖拽到圖紙OLV1中，并將各種電氣參數進行輸入，這些元件包括發電機、母線、開關、電纜、變壓器、等效靜態負荷、電機、變頻器等。平臺的用電負荷及發電機的容量如表4所示。

圖1 鉆采平臺DPP電力系統圖

表3 變頻器諧波電流信息

表4 平臺發電機容量及平臺用電負荷統計表

點擊運行“諧波潮流計算”程序，可以得到母線總的諧波電壓畸變度（%）以及單次諧波電壓畸變度，支路的各次諧波電流及其總的畸變度。通過計算可以看到8套變頻器產生了大量的諧波電流，惡化了系統內電源的質量。鉆采平臺DPP中4.16 kV、0.48 kV的母線電壓畸變報告以及母線LC段、LD段的進線電流畸變報告分別見表5、表6，其電壓、電流諧波畸變率遠超過IEEE 519和國標GB/T 14549限制值。

表5 母線電壓畸變報告

表6 變壓器二次側電流畸變報告

2.2.2 濾波器設計

LC段、LD段母排電壓、電流諧波畸變率遠超過IEEE 519限制值，應采取合理的濾波方式消除諧波，采用就地濾波方式可以減小對電力系統的諧波影響范圍，增強電力系統穩定性。因此，首先可確定濾波器應加裝在LC、LD段母排處進行濾波，濾波器通常采用室內安裝方式。

濾波方式主要有兩種，無源濾波器方案或有源濾波器方案。海洋石油中針對電潛泵供電常用的是“一對一的變頻器加無源濾波器”方案，如圖2所示。

無源濾波器通常由一組或幾組單調諧濾波器和高通濾波器構成，該裝置與諧波源并聯后，除了能濾波外，還能起到無功補償的作用，以無源濾波器為例說明ETAP如何進行濾波器設計。從先前的分析可知，諧波污染主要來自5次、7次、11次諧波，針對每個諧波源依次添加5次、7次、11次單調諧濾波器。ETAP軟件有調諧濾波器容量計算功能，通過該功能可以很快得到需要的合適濾波器容量。使用該功能需要填入以下幾項參數［4］：

（1）要濾波的次數及諧波電流的大??；

（2）用于做濾波器的電容的額定電壓、最大電壓、電抗器最大允許電流和品質因數；

（3）濾波器投用前的現有功率因數、負荷的容量以及補償后期望的功率因數。

給出這些條件后，軟件會自動計算給出電容、電抗器的參數，并可以直接將計算結果替換到濾波器參數里。本實例計算得到5次、7次、11次濾波器中單相電容容量分別為 10.14 kvar、10 kvar、10 kvar，單相電容值分別為 350.6 μF、345.7 μF、345.7 μF，電感值分別為0.3 ohm、0.16 ohm、0.06 ohm。將設計好的濾波器投入，再次進行諧波潮流計算，得到濾波后母線總的諧波電壓畸變度以及單次諧波電壓畸變度的大小，支路的各次諧波電流及其總的畸變度的大小，見表7和表8，其結果滿足 IEEE 519和國標GB/T 14549限制值。

表7 母線電壓畸變報告

表8 變壓器二次側電流畸變報告

通過比較與濾波前的電壓波形（圖3）及濾波后的電壓波形（圖4），可以看到濾波后的電壓更加平滑，基本接近于正弦波，可見，采用合適的無源濾波器能夠解決平臺諧波的問題。

圖3 濾波器投入前LC母線電壓波形

圖4 濾波器投入后LC母線電壓波形

3 結 論

隨著海洋石油平臺非線性設備（特別是采用交流變頻的設備）越來越多，電網中的諧波也越來越嚴重，因此對電力系統進行諧波分析以及如何有效治理諧波，是平臺電力系統設計的重要工作之一。

通過使用ETAP軟件，能夠對系統進行諧波分析計算，并給出濾波器的選型設計。工程實踐表明，ETAP作為全球范圍內領先的電力系統仿真分析、計算軟件，其功能強大、計算準確，尤其是在電網諧波分析領域，能夠簡化設計工作量、提高工作效率，對了解并解決當前海洋石油平臺日益嚴重的諧波污染問題具有一定的指導作用。

［1］王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.第2版.北京：機械工業出版社，2006.

［2］IEEE Std.519-1992.IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems［S］.

［3］凌衛家，呂東曉，戴江江，等.面向用戶的電力系統模擬計算高級應用軟件［J］.湖北電力，2002，26（2）：33-35.

［4］ETAP User Guide 5.5.0［M］.Irvine：OTI，2006.