有源濾波器在海上油氣田電力系統中的應用研究

吳飛

有源濾波器在海上油氣田電力系統中的應用研究

吳飛

（天津中海油工程設計有限公司）

海上電力系統屬于微電網結構，穩定性較差，隨著非線性用電設備不斷投入使用，諧波含量大大增加，嚴重影響了電網電壓的波形質量，危害電網電能質量，降低了電力系統供電的安全性、穩定性和可靠性。鑒于諧波的危害，通過研究目前普通采用的諧波治理措施，確定采用有源濾波器作為海上電網諧波治理方案。并以工程實際案例進行了佐證分析。

海上油氣田；電能質量；諧波治理；有源濾波器

1 引言

海上油氣田電力系統包括電能的產生、輸送、分配和使用，為工藝流程及生活處理設施所需的用電設備進行供電，主要為泵類用電設備。目前由于工藝流程的改進，大型設備如壓縮機、注水泵等改用變頻控制，以及模塊鉆機中的泥漿泵、頂驅等變頻系統，低壓的許多泵類設備也逐漸需要變頻控制，再考慮海上平臺聯網之間海底電纜傳輸影響，無功和諧波問題是趨嚴重。

2 諧波的產生與危害

一般把電力系統中的諧波定義為：一個周期電氣量的正弦波分量謂之為諧波，各次諧波的頻率為基波的整數倍。探究諧波產生的終極原因無非是非線性負載帶來的。呈線性負載的設備所吸收的電流，和電源電壓形成的頻率是相同，且是正弦波電流，電流和電壓間的相位差固定不變；而對于非線性負載，所吸收的電流固然是周期性的，但并不是正弦波電流，因其含有每一次諧波而造成電流的波形失真。當正弦的基波電壓施加到非線性設備端時，流過設備的電流和端電壓的波形不同，電流發生畸變，由于設備和電網入端連結，因而諧波電流會進入到是電力電網中，因此這些非線性設備也就是電力系統的主要諧波源。

電力系統中的主要諧波源包括：類如變壓器等鐵磁非線性設備；類如電弧焊機和電弧爐等這類具有強非線性用電的設備；類如交直流變換的電力電子設備。

諧波含量直接影響電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，近而影響電力系統的穩定性。諧波降低了電能在生產、傳輸和使用過程中的效率；使用電設備產生過熱、引起噪聲和振動；導致絕緣老化加速，縮短設備壽命，甚至引起故障或損毀；致使電力系統局部產生諧振，放大諧波含量，造成設備毀壞；引起繼電保護裝置不動作或誤動作；還會干擾通訊電子設備等。因此，諧波的危害已經越來越受到重視，對諧波的治理已經刻不容緩。

3 諧波的治理措施

諧波治理的總體思路。諧波的治理應當首先考慮預防，控制好諧波產生的源頭，使系統中產生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進行進一步的治理。因此，在選擇設備和構建系統時，就應該將減小諧波作為一項重要的條件來考慮。例如：整流器中的相位抵消（通過選擇合適的相位移動，由低脈波數整流器構成的高脈波數整流器可以消除諧波）或諧波控制；開發有效的過程和方法來控制、減小或消除電力系統設備的諧波。

其次，在預防的基礎上，再考慮補救措施。特別是對于既有的用戶低壓系統來說，由于系統結構已經基本固定，諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補救措施得以控制。

目前在電力系統中所廣泛采用的諧波治理方案，主要有靜止無功補償裝置、加裝電抗器、多脈動整流器、脈沖寬度調制整流、無源濾波器和有源濾波器。

靜止無功補償裝置的主要作用是用于補償系統過低的無功功率，以改善系統的電壓水平和功率因數，僅能起到吸收和抑制少量諧波；加裝電抗器雖能起到抑制部分高次諧波的作用，但還是多用于設備側，以免受浪涌沖擊的影響，起到減緩系統變化的效果；對于多脈動整流器而言，普通的六脈動整流必然會產生很多諧波，也是現在電力系統中主要的諧波源之一，通過增加脈動數，能夠減少整流過程產生的諧波含量，甚至24脈及其更多脈動數的整流器，能夠達到國家標準要求的入網諧波含量，對其相應的投資成本、體積、有效耗材等都將大大增加，統籌考慮下來，總體優勢也許并非最佳，但可以作為實際應用中的一種考慮方案；因為控制形式影響，對于脈沖寬度調制整流裝置而言，某些特征諧波問題可能會較為突出；無源濾波器在很多電網系統中還依然使用，也起到了較為有效的作用，能夠通過特定的電路形式消除系統中的主要次數諧波，也能起到補償系統無功分量的作用，但往往設備本身體積龐大、有效耗材多，而且并不能消除系統中除主要諧波外的其他次數諧波。有源濾波器的出現適時地解決了無源濾波器面臨的問題，不僅能動態追蹤并抑制諧波，諧波有效濾除率高；而且可以補償電網中較低的無功分量，提高電壓水平，且響應速度快；在三相不平衡系統中，能通過補償無功分量校正有功的平衡；適用性強等其他諸多優點。因此，研究確定采用有源濾波器作為海上油氣田電網諧波治理的措施。

4 工程實際案例分析

通過對某微電網工程實際案例分析，以六脈動變頻器為例，運用EDSA軟件模擬計算變頻整流設備所產生的諧波源，主要應用諧波分析功能模塊，基于IEEE Std.519標準計算。

圖1 母線電壓、電流波形仿真圖

根據仿真分析，母線的電壓諧波畸變率約10.31%，電流諧波畸變率約22.75%。IEEE Std.519對普通低壓配電網絡電壓電流畸變極限的要求：低壓電網的電流諧波畸變率不超過5%?？梢娔妇€電流諧波畸變因數超出標準允許范圍，如果不進行諧波治理，不僅增大系統損耗，更會影響電網的穩定性。

根據標準要求，通過計算選定容量為500A有源濾波器進行諧波抑制。諧波治理后，諧波含量小于5%，電網入端的電壓和電流波形較為對稱，并趨于正弦化，驗證了有源濾波器設備良好的實際濾波效果。詳見圖2。

圖2 有源濾波器未開啟前、后時的電壓、電流波形圖（分別為左、右圖）

5 總結

在工程實際中，通過對電網實際運行情況的監測，分別檢測有源濾波器投入前后的諧波含量及波形頻譜圖，并與EDSA軟件的仿真結果進行對比。其與仿真結果的一致性，驗證了EDSA軟件分析的準確性，也驗證了有源濾波器具備良好的實際濾波效果。為有源濾波器在海上油氣田電力系統中運用的可行性及有效性，提供指導性意見，驗證了有源濾波器治理方案的有效性。

雖然有源電力濾波器具有優良的抑制諧波的效果，不僅能夠動態跟蹤并補償各次諧波，還能避免諧振、抑制閃變，而且能夠補償系統中的缺乏的無功分量，是非常先進、功能強大的濾波手段。且隨著我國對有源濾波器研發技術的全面掌握和國內市場的不斷引導，以及有源電力濾波器制造成本的下降，國產設備已逐漸替代國外產品，為其快速發展迎來契機。但對有源濾波器技術研究方面，仍然需要在諧波檢測、優化系統的控制策略、優化內部電路設計及設備的多功能化等領域不斷探索，以期能提高設備運行效率，進一步降低制造成本和設備損耗，并提高設備的可靠性和實用性等。當然，也不能完全忽視其他的濾波手段，針對不同的系統結構，應該采取合適的濾波方案。比如：有源濾波器配備無源濾波器等。此處不再過多贅述，研究學者面臨的問題依然很多，希望對濾波的研究能夠有進一步發展。

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