摘 要：當(dāng)前，變頻器在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此，相關(guān)企業(yè)必須對(duì)其應(yīng)用中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題予以足夠重視。通過(guò)廣泛采集不同電壓等級(jí)配電節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)海洋石油平臺(tái)采用的諧波治理方式進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析、總結(jié)，然后給出了相關(guān)建議。所得的相關(guān)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和總結(jié)，對(duì)海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和諧波治理具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：海洋石油平臺(tái)；變頻器；電能質(zhì)量；諧波

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.001

為提高海洋油氣開(kāi)采的效率和可靠性，變頻器、可控硅軟啟動(dòng)器、不間斷電源（UPS）、開(kāi)關(guān)直流電源等設(shè)備和裝置在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，這些非線性電力電子設(shè)備和沖擊性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流。諧波會(huì)降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，導(dǎo)致電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；造成絕緣老化，設(shè)備使用壽命縮短，甚至引發(fā)故障；引發(fā)電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量增加，造成電容器等設(shè)備燒毀；引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。此外，諧波產(chǎn)生的危害具有隱蔽性，導(dǎo)致難以及時(shí)找到事故發(fā)生的真正原因。

隨著數(shù)字油田和智能油田的建設(shè)，海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)上由IT技術(shù)和微電子技術(shù)控制的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、控制、生產(chǎn)的儀表和設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)海洋平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，任何電能質(zhì)量問(wèn)題都可能導(dǎo)致生產(chǎn)的中斷或者設(shè)備的損壞，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，給海洋石油開(kāi)采帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與此同時(shí)，隨著電力組網(wǎng)技術(shù)在海洋石油平臺(tái)上的不斷推廣和應(yīng)用，諧波的危害范圍逐漸擴(kuò)大。

針對(duì)諧波的危害，為保障海洋平臺(tái)油氣生產(chǎn)的安全、可靠進(jìn)行，必須對(duì)海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并選擇合理的諧波治理對(duì)策。本文首先根據(jù)采集的150處不同電壓等級(jí)配電節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)某海域海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，然后根據(jù)電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)海洋平臺(tái)采用的不同諧波治理方式進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析、總結(jié)，最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)海洋平臺(tái)諧波治理方式提出了建議。

1 電網(wǎng)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量測(cè)試與分析

1.1 低壓配電系統(tǒng)

目前，海洋石油平臺(tái)上的生產(chǎn)設(shè)備大多數(shù)通過(guò)400 V低壓母線系統(tǒng)配電，特別是電潛泵變頻器、UPS、熒光燈等，其主要非線性負(fù)荷都集中在400 V低壓母線上。如果低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量不滿足要求，不僅會(huì)直接影響系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)通過(guò)平臺(tái)電力電纜傳導(dǎo)到平臺(tái)更高等級(jí)的電力系統(tǒng)，影響整個(gè)平臺(tái)的電能質(zhì)量和發(fā)電機(jī)的安全、可靠運(yùn)行。為使獲得的數(shù)據(jù)具有代表性，廣泛采集了某海域25個(gè)海洋石油平臺(tái)共72處低壓配電節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

從此次采集獲得的數(shù)據(jù)來(lái)看，目前海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)低壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量基本能夠滿足設(shè)計(jì)文件中所列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，所采集的72處低壓配電節(jié)點(diǎn)，其電壓總諧波畸變率都沒(méi)有超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中允許的5%的上限，低壓配電節(jié)點(diǎn)電壓總諧波畸變率最高為某平臺(tái)的ACB1的3.699%.由于變頻器的大量使用，雖然配置了“一對(duì)一”的無(wú)源濾波器，但在所測(cè)量的25個(gè)平臺(tái)中，仍有14個(gè)平臺(tái)的低壓配電節(jié)點(diǎn)5次和7次諧波電流接近或超過(guò)諧波電流限值。表1所示為WHPM海洋石油平臺(tái)上采油電潛泵地面變頻器的電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2 中壓配電系統(tǒng)

在海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)中，中壓配電系統(tǒng)（6.3 kV、10.5 kV）為平臺(tái)上發(fā)電機(jī)的電壓等級(jí)。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能除了通過(guò)變壓器供其他電壓等級(jí)系統(tǒng)的設(shè)備使用外，經(jīng)常在發(fā)電機(jī)出線端的中壓母線上還帶有注水泵、原油外輸泵、天然氣壓縮機(jī)等大功率中壓負(fù)荷。由于這些大功率負(fù)荷往往帶有可控硅軟啟動(dòng)器、變頻器等非線性裝置，因此給中壓母線的電能質(zhì)量造成直接的影響，同時(shí)，低壓配電系統(tǒng)的諧波電流也會(huì)流經(jīng)中壓配電系統(tǒng)注入到發(fā)電機(jī)，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響發(fā)電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。從采集的10處中壓配電節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看，中壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量總體正常，總諧波電壓畸變率符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但部分配電節(jié)點(diǎn)的總電流諧波畸變率超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。表2所示為WHPK平臺(tái)主配電間6.3 kV配電節(jié)點(diǎn)VCB1的測(cè)試數(shù)據(jù)，總電流諧波畸變率在10%左右，其中，5次諧波電流超過(guò)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 高壓配電系統(tǒng)

在海洋石油平臺(tái)電力系統(tǒng)中，平臺(tái)間的電能主要通過(guò)35 kV

海底電纜來(lái)輸送，比如由發(fā)電站的中心動(dòng)力平臺(tái)給遠(yuǎn)端不帶電站的衛(wèi)星井口平臺(tái)供電。當(dāng)平臺(tái)間距離較遠(yuǎn)時(shí)，海底電纜的容性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很大的充電電流，影響整個(gè)高壓配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，使整個(gè)高壓系統(tǒng)呈容性，特別是當(dāng)高壓配電系統(tǒng)存在諧波時(shí)，可能會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，放大諧波電流，嚴(yán)重時(shí)，擊穿海纜，從而影響海洋石油平臺(tái)的安全生產(chǎn)。此次共采集了4處35 kV高壓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。從采集到的數(shù)據(jù)來(lái)看，作業(yè)區(qū)35 kV高壓電能質(zhì)量基本正常，總電壓諧波畸變率符合國(guó)標(biāo)規(guī)定，但部分測(cè)試節(jié)點(diǎn)由于受低壓配電系統(tǒng)段變頻器諧波電流的影響，通過(guò)電力線路的傳導(dǎo)，導(dǎo)致35 kV高壓諧波電流值超標(biāo)，因此，需要在低壓側(cè)進(jìn)行諧波的徹底治理，防止諧波電流進(jìn)一步注入到高一級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)，影響整個(gè)供電系統(tǒng)。表3所示為WHPL平臺(tái)主配電間35 kV配電節(jié)點(diǎn)VCB2的測(cè)試數(shù)據(jù)。

從海上石油平臺(tái)電網(wǎng)低壓、中壓、高壓三個(gè)不同電壓等級(jí)的電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，目前海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)電壓電能質(zhì)量基本滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但部分測(cè)試節(jié)點(diǎn)的諧波電流超過(guò)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制。因此，必須對(duì)目前海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)中所配置的諧波濾波裝置的實(shí)際濾波效果進(jìn)行分析和總結(jié)，為以后諧波抑制方案的設(shè)計(jì)提供參考。

2 海洋石油平臺(tái)諧波的治理

2.1 無(wú)源濾波器

在海洋石油平臺(tái)上，由于變頻器在電潛泵啟動(dòng)和調(diào)產(chǎn)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的平臺(tái)電潛泵控制系統(tǒng)采用了“一對(duì)一”的變頻控制方式，變頻器的大量應(yīng)用帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越突出，因此，必須采取有效措施進(jìn)行治理。此前，在海洋石油平臺(tái)上，主要的諧波治理措施為在變頻器輸入端加裝無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器的廣泛使用提升了海上石油平臺(tái)的電能質(zhì)量，但是，根據(jù)電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果和使用過(guò)程中生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的反饋，無(wú)源濾波器的一些弊端也不斷暴露出來(lái)。

2.1.1 占用空間大

一臺(tái)變頻器需要配置一臺(tái)無(wú)源濾波器，但海洋石油平臺(tái)上“寸土寸金”，結(jié)構(gòu)十分緊湊，無(wú)源濾波器的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)因其占用空間大的缺點(diǎn)而大大降低。

2.1.2 無(wú)功過(guò)補(bǔ)償

無(wú)源濾波器中有大量的電容器，在實(shí)現(xiàn)濾波的同時(shí)能起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩ＴO(shè)計(jì)時(shí)，電潛泵變頻器的容量一般按照該井高峰年的電功率需求來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)，所配置的無(wú)源濾波器的容量一般按照變頻器的容量來(lái)設(shè)計(jì)。由于在一些采油井口平臺(tái)上，電潛泵負(fù)荷電量占到平臺(tái)總負(fù)荷的40%～50%，部分平臺(tái)甚至達(dá)到70%，導(dǎo)致實(shí)際使用過(guò)程中常發(fā)生無(wú)功過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象。如表1中電潛泵變頻器的測(cè)試所示，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的功率因數(shù)皆呈容性。由于海洋采油井口平臺(tái)電潛泵負(fù)荷占比大，當(dāng)容性無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)，甚至?xí)l(fā)平臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行、電網(wǎng)失穩(wěn)崩潰。

2.1.3 濾波效果差

無(wú)源濾波器的選型受電網(wǎng)和負(fù)載參數(shù)的影響較大，且只能濾除少量幾次的諧波。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，電網(wǎng)和設(shè)備參數(shù)均發(fā)生了變化，濾波效果大大降低。從上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，雖然電潛泵變頻器輸入端都安裝了無(wú)源濾波器，但是部分配電節(jié)點(diǎn)仍存在較大的諧波電流。

2.2 有源濾波器

鑒于無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)，最近幾年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和元器件價(jià)格的降低，有源濾波器逐漸被應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)上。有源濾波器的工作原理是：由諧波檢測(cè)模塊檢測(cè)非線性負(fù)載中的諧波電流，取反后作為有源濾波器控制器的參考指令信號(hào)；控制器跟蹤參考指令信號(hào)，然后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制有源濾波器主電路電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使有源濾波器直流側(cè)電壓維持在設(shè)定值的同時(shí)，產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，并注入到電網(wǎng)中，從而使電網(wǎng)對(duì)非線性負(fù)載只提供基波有功電流，非線性負(fù)載需要的諧波和無(wú)功電流由有源濾波器提供。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器在海洋石油平臺(tái)上的應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 占用空間小、結(jié)構(gòu)緊湊

在海洋石油常規(guī)井口平臺(tái)上，1臺(tái)有源濾波器可以補(bǔ)償3臺(tái)左右電潛泵變頻器產(chǎn)生的諧波電流，因此在體積上具有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，其自身的性?xún)r(jià)比也有所提升。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)諧波抑制

有源濾波器可以根據(jù)平臺(tái)上負(fù)載諧波電流的變化情況，迅速調(diào)整自身補(bǔ)償?shù)闹C波電流，并且具有很好的動(dòng)態(tài)性能。

2.2.3 補(bǔ)償方式靈活

有源濾波器可以對(duì)2～50次的諧波實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，同時(shí)能夠自主選擇各次補(bǔ)償諧波電流的大小，補(bǔ)償方式靈活。

從以上優(yōu)點(diǎn)可以看出，與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器非常適合在海洋石油平臺(tái)上進(jìn)行諧波治理，且隨著其價(jià)格的不斷降低，在諧波治理上將逐步取代無(wú)源濾波器。

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)試多處海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)不同電壓等級(jí)系統(tǒng)配電節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量可知，目前海洋石油平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量基本滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。但是，由于海洋平臺(tái)廣泛使用的無(wú)源濾波器受自身缺點(diǎn)的限制，部分配電節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了諧波電流超標(biāo)、無(wú)功過(guò)補(bǔ)償?shù)痊F(xiàn)象。智能油田的建設(shè)對(duì)海上石油平臺(tái)電網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求，有源濾波器因其自身的優(yōu)勢(shì)將逐步取代無(wú)源濾波器，并將得以廣泛應(yīng)用。

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〔編輯：劉曉芳〕