胡澤剛

(中海石油 (中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東深圳 518067)

海洋石油模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)諧波分析與治理

胡澤剛

(中海石油 (中國(guó))有限公司 深圳分公司，廣東深圳 518067)

由于大功率電力電子元件的快速發(fā)展，變頻調(diào)速在海洋石油工程中也開(kāi)始成熟的應(yīng)用，隨之在海洋工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中必須注意大功率電力電子器件應(yīng)用所帶來(lái)的諧波的影響。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中積累了一些關(guān)于諧波的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，文章由海洋石油模塊鉆機(jī)系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生及影響入手，對(duì)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中諧波的治理方案進(jìn)行分析和對(duì)比。

海洋石油模塊鉆機(jī);交流變頻系統(tǒng);諧波畸變;濾波方案

海洋石油模塊鉆機(jī)是整個(gè)海上油田的一個(gè)比較大的用電單位，我國(guó)新建的海洋石油模塊鉆機(jī)都是采用交流變頻驅(qū)動(dòng) (VFD)。VFD的控制性能是優(yōu)越的，但是帶來(lái)的諧波問(wèn)題也不容忽視。在系統(tǒng)容量一定的前提下，模塊鉆機(jī)工作時(shí)這些大功率變頻器會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成污染。整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和用電安全會(huì)受到一定的影響。為保證鉆機(jī)工作時(shí)系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)降低變頻裝置對(duì)電網(wǎng)的影響，需要對(duì)模塊鉆機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的諧波及其危害進(jìn)行分析研究，從而確定模塊鉆機(jī)針對(duì)諧波問(wèn)題的治理措施。

1 模塊鉆機(jī)諧波分析

1.1 諧波的產(chǎn)生

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。線性負(fù)載吸收的電流是與電壓頻率相同的正弦波電流，電流與電壓之間存在著固定的相位差;而非線性負(fù)載吸收的電流為周期性的，但不是正弦波電流，電流中因含有諧波而造成波形失真。諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生:當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性負(fù)荷時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些非線性負(fù)荷就成了電力系統(tǒng)的諧波源。

電力電子變換裝置是目前主要的諧波。對(duì)于電力電子裝置諧波源，人們一般將諧波源分為兩類:電壓型諧波源和電流型諧波源［1］。模塊鉆機(jī)上廣泛應(yīng)用屬于電壓源型變頻器，其輸入電路一側(cè)是將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源的整流電路。大功率二極管整流器裝置是引起平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)諧波畸變主要根源，它以產(chǎn)生5次、7次諧波最為顯著，給平臺(tái)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。模塊鉆機(jī)的諧波源主要為絞車、轉(zhuǎn)盤、頂驅(qū)和泥漿泵等大型鉆機(jī)設(shè)備的變頻器。而且鉆井負(fù)載工況變化多樣，產(chǎn)生各次諧波電流幅值變化也有所不同，屬于波動(dòng)變化的諧波。以海洋石油陸豐13－2模塊鉆機(jī)為例，電控系統(tǒng)采用17面西門子S120系列變頻器柜和兩套能耗制動(dòng)暫波器，根據(jù)計(jì)算分析會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，有3次、5次、7次、9次、11次及少量的高次諧波。

1.2 影響諧波畸變率的相關(guān)因素

對(duì)于海洋平臺(tái)的小容量電力系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾是不容忽視的。影響諧波畸變率的相關(guān)因素就是考慮的重點(diǎn)。由于變頻裝置存在內(nèi)部阻抗，當(dāng)變頻器供電的電源容量越大，變頻器輸入電流的波形就越陡峭，而輸入電壓的波形畸變則越小;電源容量越小，則電流波形越平緩，而電壓的波形畸變則越大［2］。諧波電流畸變率主要取決于交流驅(qū)動(dòng)的整流方式及設(shè)備容量，諧波電壓為諧波電流與系統(tǒng)阻抗之積。模塊鉆機(jī)系統(tǒng)主要包括5，7，11，13等多次諧波，總的電流畸變率THDi約為30%，總的電壓畸變率THDu為15%左右。影響THDi或THDu的相關(guān)因素如表1所示［3］。

表1 影響電流畸變率或電壓畸變率的相關(guān)因素

1.3 諧波產(chǎn)生的危害

模塊鉆機(jī)電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面:對(duì)鉆井電控系統(tǒng)的發(fā)、輸、配電設(shè)備的增損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備效率和利用率;導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低;電纜過(guò)熱、絕緣老化加速、易損壞并導(dǎo)致線間短路和接地故障;變壓器和馬達(dá)的過(guò)熱、甚至于燒毀;斷路器及電保護(hù)裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護(hù)元件過(guò)熱、失靈、誤動(dòng)作、接地保護(hù)裝置功能失常;通信與影像設(shè)備失誤。此外，諧波還會(huì)造成測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示不準(zhǔn)確，現(xiàn)已經(jīng)成為當(dāng)前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大公害。

2 諧波抑制方式的選擇

2.1 諧波源的優(yōu)化

從源頭入手，改善諧波源的特性，降低諧波源的諧波含量。即在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，具體方法主要有如下兩點(diǎn)。

1)增加整流器的脈動(dòng)數(shù)。整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，增加整流脈動(dòng)數(shù)，可平滑波形，減少諧波。如:整流相數(shù)為6相時(shí)，5次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%，如果將整流相數(shù)增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的4.5%，7次諧波電流下降到基波電流的3%。

2)新型的全I(xiàn)GBT整流可將功率因數(shù)提高到0.99，進(jìn)而從根本上解決了諧波對(duì)電網(wǎng)回饋干擾的問(wèn)題。使用IGBT整流技術(shù)的整流器利用高頻切換脈寬調(diào)制電流可將輸入諧波電流降至極低，達(dá)到正弦波式輸入電流的目的，因此，IGBT整流技術(shù)具備降低諧波含量的功效。

2.2 增加濾波器方案

1)無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器是比較傳統(tǒng)的方法，通過(guò)采用由一組或數(shù)組 LC單調(diào)諧濾波器組成，有時(shí)再加一組高通濾波器，它是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成。該裝置與諧波源并聯(lián)，除起旁路濾波作用外，還兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但因其體積較大;濾波特性依賴于電源阻抗和補(bǔ)償容量;低于最低調(diào)諧頻率時(shí)，阻抗特性變壞;不能完全濾除非特征諧波(不同于濾波器調(diào)諧頻率的諧波)。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮多種因素而且調(diào)整不方便，可能導(dǎo)致串、并聯(lián)諧振，因此這種方式不適用于工況復(fù)雜的系統(tǒng)。

2)有源電力濾波器。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)?；驹硎菑闹卫韺?duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由濾波器產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量，這種濾波器能快速對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且濾波特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，完全解決了無(wú)源濾波的所無(wú)法克服的一系列問(wèn)題［4］。具體比較見(jiàn)表 2。

表2 有源濾波器與無(wú)源濾波器濾波方案的比較

續(xù)表2 有源濾波器與無(wú)源濾波器濾波方案的比較

2.3 工程應(yīng)用實(shí)例

陸豐13－2模塊鉆機(jī)電控系統(tǒng)采用ABB公司PQFM－V2－M10型動(dòng)態(tài)有源濾波器，開(kāi)關(guān)器件為IGBT。其工作原理:系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功分量，控制PWM變流器，將與諧波和無(wú)功分量大小相等、方向相反的電流注入交流600 V母排供電系統(tǒng)中，在有效的實(shí)現(xiàn)濾除諧波(達(dá)到95%以上)的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功并抑制諧振、提高電站的功率因數(shù)，動(dòng)態(tài)有源濾波器產(chǎn)生和系統(tǒng)諧波大小相等，相位相反的諧波注入到電網(wǎng)中，從而有效消除諧波，其濾波效果如圖1和圖2所示，圖3為工程應(yīng)用中實(shí)測(cè)情況。

圖1 有源濾波器開(kāi)啟前電壓、電流波形示意圖

圖2 有源濾波器開(kāi)啟后電壓、電流波形示意圖

由圖3可見(jiàn):濾波器投入前5次諧波電流:21.2 A;THDi 22.2%;濾波器投入前7次諧波電流17 A;THDi 22%;從濾波器投入前后現(xiàn)場(chǎng)諧波數(shù)據(jù)分析，諧波得到明顯消除，數(shù)據(jù)如下，在濾波器投入運(yùn)行前總畸變率為5.8%，在濾波器投入運(yùn)行后總畸變率為4.0%。

圖3 諧波電流及電壓畸變率現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)情況圖

從動(dòng)態(tài)有源濾波投入后的測(cè)量結(jié)果上看，電壓總諧波畸變率小于 ＜5%，系統(tǒng)諧波的治理效果滿足規(guī)范要求。

通過(guò)以上的對(duì)比，可以知道與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器具有以下一些優(yōu)點(diǎn):①可以對(duì)快速變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償;②濾波特性與系統(tǒng)的阻抗無(wú)關(guān);③不會(huì)導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，無(wú)諧波放大的危險(xiǎn);④重量與體積較小。且隨著技術(shù)的發(fā)展，增加有源濾波器已成為消除電網(wǎng)諧波的主要手段，尤其適用于諧波負(fù)荷變化較大的海上石油鉆機(jī)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

諧波的治理需要對(duì)模塊鉆機(jī)在各種工況下由鉆機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的諧波進(jìn)行計(jì)算分析，得出鉆機(jī)在最大工況下系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的含量，經(jīng)過(guò)與規(guī)范中的要求進(jìn)行對(duì)比，超標(biāo)的諧波含量作為諧波治理方案選擇的依據(jù)。同時(shí)諧波治理方案還要考慮模塊鉆機(jī)的諧波是隨著負(fù)載波動(dòng)變化的。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE519－1992對(duì)普通低壓配電網(wǎng)絡(luò)電流畸變極限的要求，低壓電網(wǎng)THD不超過(guò)5%。通過(guò)以上方案可知，IGBT整流方案和設(shè)置有源濾波器方案是比較理想的諧波治理方案，針對(duì)這兩種方案的選擇，就需要同時(shí)考慮具體項(xiàng)目的設(shè)備布置、電子元件散熱、工程造價(jià)等因素確定適合的諧波治理方案。

［1］李達(dá)義，陳喬夫，賈正春.電力系統(tǒng)諧波源的種類和濾波方法綜述 ［J］.電氣傳動(dòng)，2005(12)，3－7.

［2］羅安.電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備 ［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［3］劉博.鉆井電控系統(tǒng)中的諧波分析及治理 ［J］.電氣時(shí)代，2007(11)，A22－A23.

［4］余穎，王新剛.海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)諧波分析及仿真研究［J］.石油機(jī)械，2006(12)，10－13.

Due to the rapid development of high power electronic components，and variable frequency speed regulation maturely applied in marine petroleum engineering，attention should be paid to harmonic influence in the application of high power electronic device in desigin of marine engineering project.We have accumulated some experience about harmonic，and based on the generation and impact of harmonic of offshore drilling rig system，we compare and analyze the control program of harmonic in the engineering project.

offshore modular drilling rig;variable frequency drive;harmonic distortion;filter scheme

TM714

C

1001－8328(2012)05－0049－03

胡澤剛 (1960-)，男，貴州普安人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋石油鉆機(jī)模塊技術(shù)管理工作。

2012－06－06