電能質量綜合裝置治理諧波的應用

龐海宏（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

電能質量綜合裝置治理諧波的應用

龐海宏（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

電力諧波對電網中的供電設備會造成危害。應用電能質量綜合治理裝置，可降低因諧波而導致的設備發熱、破壞和損耗，延長配電變壓器等設備的使用壽命。利用此裝置功率因數可達到0.95以上，電壓總諧波畸變率小于5%，3座注入站年創經濟效益達到59.1萬元。

諧波 危害 治理 應用效果 效益

由于油田企業對油田開采節能方面的重視和電力電子技術的發展，在油田設備中應用了大量具有非線性特性的節能裝置（包括變頻器、可控硅調壓裝置等）。這些非線性裝置可能對電網中的供電設備造成危害。

1 諧波的危害[1]

電力電子器件的非線性負載的使用會引起油田電網中電流和電壓波形畸變，即產生諧波。電壓的畸變可能對油田電網中的供電設備造成危害。

1.1 對電動機的影響

正常情況下電網電壓波形和電動機電流波形都應該是正弦波，而由于電網諧波的存在，會使電動機轉矩產生脈動，因此導致電動機的啟動變慢和運行性能不穩定，產生振動，導致電動機的溫度升高和損耗增加，甚至造成設備損壞。

1.2 對無功補償電容器的影響

由于很多井站和單井安裝有無功補償電容器，用來提高功率因數，減小損耗。但諧波頻率與系統中的諧振率藕合時，會造成電容器過電壓或過電流，使電容器絕緣老化，影響使用壽命，甚至燒毀電容器。

1.3 變壓器的影響

諧波電流流經變壓器繞組會增大損耗，使繞組發熱。加速絕緣老化，并產生噪聲

1.4 對計量的影響

諧波的存在會對電子儀器產生干擾，因此影響電子式計量儀的正常工作，如電磁流量計等。

開展電能質量綜合治理項目，能夠有效抑制低壓配電網的污染，改善配電網的供電電能質量，進而達到保護設備安全，延長設備壽命和配電網節能降耗的目標。

2 YH-8010電能質量綜合治理裝置的原理

Y H-8010電能質量綜合治理裝置以現代控制理論為指導，采用最先進的D SP數字信號處理芯片和單片機芯片，在瞬時有功無功理論的基礎上，采用自主創新的參考電流計算方法及世界首創的“實時跟蹤，精確制導”自動跟蹤式諧波濾除方法，通過控制IG BT橋路的開通和關斷來控制無功功率、濾除諧波電流、提高功率因數、改善電能質量。保護措施完善，控制方式靈活可變。

Y H-8010電能質量綜合治理裝置的電氣原理示意圖如圖1。

它主要包括以下幾個重要組成部分：

■一次主電路部分：以IG BT回路為核心的工作回路

■控制器部分：以D SP為核心的硬件和實時控制軟件

■箱體結構部分：主箱體，用于安裝所有裝置器件

■維護軟件：用于安裝調試階段校正裝置運行參數

Y H-8010裝置可以有效濾除25次以下的諧波分量和無功、不平衡電流。將裝置安裝在系統電源和負載之間，電流關系滿足以下關系：系統電源提供的電流＝負載電流＋裝置電流，理論上要求系統側是提供基波電流。由裝置采集負載電流進行分析，分解出基波電流和諧波電流，將諧波電流作為控制量去控制裝置產生與負載諧波電流方向相反、大小相等的諧波電流，從而使得系統側只提供基波電流，達到諧波濾除的目的。見圖2。

能夠在容量范圍內分相補償配電網電流中25次以下的低次諧波和無功、不平衡電流。降低因諧波而導致的設備發熱、破壞和損耗，延長配電變壓器等設備的使用壽命。

3 應用效果

某作業區的1#、2#、3#注入站，目前已完成安裝六套Y H-8010電能質量綜合治理裝置，裝置目前運行正常，電能質量問題得到有效解決，功率因數都達到0.95以上，電壓總諧波畸變率TH D u小于5%。諧波電流允許值滿足Q/SY D Q1230-2008《大慶油田配電網諧波污染防治技術管理規定》中的諧波電流允許值的規定。

測試條件：

測試工位：變壓器0.4 k V進線柜

諧波源額定容量（k W）：運行1臺37k W變頻泵及6臺30k W變頻泵

變壓器容量：500k VA

1#注入站在治理前后各項數據對比，見表1、表2。治理后各項指標符合國家及大慶油田企業標準，消除了諧波可能帶來的危害，從而可以保證生產的正常、安全進行。

表1 濾波前公共聯結點電能質量

表2 濾波后公共聯結點電能質量

治理前電壓波形、諧波含量見圖3。

4 效益評價

開展本項目進行電能質量綜合治理后，其直接經濟效益可分為如下幾部分，下面我們對這幾個部分的經濟效益進行暫估。

4.1 諧波直接能量損耗降低帶來的節能

因為諧波耗能但不做有用功，電網中存在的諧波電流會帶來直接的大量電能損耗，用電能質量綜合治理裝置將諧波濾除后，諧波直接能量損耗大大的降低。

式中：

IH——諧波電流值，A；

I1——基波電流值，A；

ΔP——電能質量綜合治理后節電率，%；

U——電壓，V。

考慮配電變壓器具體情況，配電變壓器全年工作時間取7000h。投入Y H-8010電能質量綜合治理裝置后，1#、2#、3#注入站功率因素按照平均值0.95參與計算。

則單臺配變全年可節省的電能為：

參照工業用電電費（0.51元/k W h）計價，則全年可節省電費

則依據上述公式，各站的節能數據為：

1#注入站年節約電費為：101034元。

2#注入站年節約電費為：143327元。

3#注入站年節約電費為：82237元。

4.2 功率因數提高帶來的節能

功率因素的提高可以節能，我們按照治理后的目標：功率因數提高到0.95來計算，全年工作時間取7000h，參照工業用電電費（0.51元/k W h）計價，我們可以得出因功率因數提高帶來的年節約費用ΔM：

則依據上述公式，各站節能數據為：

1#注入站節約電費81828元。

2#注入站節約電費82128元。

3#注入站節約電費45269元。

4.3 線路損失降低帶來的節能

按照行業通行的經驗，進行有效的諧波治理后，治理位置的相關段母線下轄的電動機異常發熱、電纜異常發熱等問題都得到了有效的解決，可明顯的降低治理位置處母線的線損比例。假設這部分損耗為K=8%，補償后損耗部分降低了F=50%，取各段母線有功功率為變壓器的視在功率，結合有功功率數據，參照工業用電電費（0.51元/k W h）計價，則可計算出每年減少的損耗費用ΔM，計算公式如下：

套用電能質量測試報告數據：

1#注入站電源總進線：ΔM=18362元。

2#注入站電源總進線：ΔM=19558元。

3#注入站電源總進線：ΔM=17203元。

5 結論

通過實施該項節能措施，電能質量問題得到有效解決，功率因數都達到0.95以上，電壓總諧波畸變率小于5%，功率因數得到了提高，同時又減少了線路損失，3座注入站年創經濟效益達到59.1×104元。這是一項成熟的節能措施，為我們治理電網諧波污染提供了新的辦法。

[1]劉磊,李波,周勝利,等.油田電網中諧波的危害與電能質量測試[J].石油石化節能,2011,1(1):47-48.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.05.008

龐海宏，1999年畢業于天津大學電力系統及其自動化專業，工程師，主要從事采油生產管理工作，E-mail： panghh@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第二采油廠第五作業區，163414。

2012-03-03）