石油平台谐波抑制措施的选择

徐建东

（海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451）

1 番禺项目主要谐波源概况

海洋石油开采普遍采用电潜泵方式，由于在石油平台开采期间井下油藏的压力、流量等参数会随着开采逐年产生变化，为达到理想的开采效果，电潜泵普遍采用变频器进行控制。

番禺油田位于中国南海，番禺项目有一个大型生产平台，生产井口为30口。根据采油工艺要求，平台机采方式采用电潜泵，单井电潜泵地面控制设备全部选择一对一变频器，功率以 630kVA为主。平台所有井口电潜泵由4台独立的10500/480V变压器分4段低压母排进行供电。在平台正常生产工况，电潜泵负荷最高达到约 8100kW，占到平台总负荷的55%左右，由于平台采油大量集中采用变频器，而变频器含有大量输入谐波，对平台电网带来污染，因此在平台正常生产时由电潜泵变频器产生的谐波畸变是相当严重的。

2 谐波治理的主要措施

针对番禺平台采油电潜泵变频设备多，占平台负荷比重大的情况。在番禺项目电气系统设计初期，针对海洋平台常用的谐波滤波措施，结合项目业主对谐波的限定要求以及平台总体空间布置、费用预算等条件，设计院进行了大量的方案比选工作，主要方案如下：

（1）六脉冲整流变频器加无源滤波器。

（2）六脉冲整流变频器加有源滤波器。

（3）十二脉冲整流变频器。

（4）十二脉冲整流变频器加无源（或有源）滤波器。

（5）IGBT整流变频器。

由于变频器对于电网而言主要是电流谐波，因此方案的比较以电流谐波为分析对象。外方业主结合IEEE519标准提出电流谐波含量控制在5%的严格限制，在此基础上各方案简要分析如下：

2.1 六脉冲整流变频器加无源滤波器

由于通用六脉冲整流变频器的电流谐波含量一般都大于35%，因此采用无源谐波滤波器对变频器的输入谐波电流进行滤波，减小变频谐波对电网的污染。此方案在变频器输入端加入一台无源谐波滤波器，针对5、7、11、13次谐波进行滤波，可以达到电流谐波含量小于5%的限定要求。

此方案大多应用于小功率变频器的输入端，当变频器总的功率较小，平台井数少，又存在大功率的无功消耗的场合，在滤除谐波的同时又提高了电网的功率因数。但对于大功率变频器来说，无源滤波器的功率大，补偿的无功功率也大，当平台主要的负载为变频器时，过多的无功会形成过补，其结果可能会引起电网无功过剩，发电机进相运行，如果发电机的励磁绕组采用自励方式，很容易产生电枢正反馈效应，发电机输出电压会异常升高，导致发电机进入保护状态而停机。

经计算一台 630kVA的六脉冲整流变频器需配置的无源滤波器的无功容量约为260kvar，按照平台30口井为例，总无功容量约780kvar。如果采用该方案则需要在平台电网中考虑增加低压电抗器的设计。

2.2 六脉冲整流变频器加有源滤波器

有源滤波器是以谐波电流大小进行计算的，一台480V的630kVA的六脉冲整流变频器，基波电流约为 601A，总的谐波电流约为基波电流的 40%左右，则需要的有源滤波器的电流约为240A，对于单平台以30口井计算，则需要的总电流约7200A，则需配备24台300A有源滤波器。

该方案可将电流谐波严格控制在5%以内，但由于采用并联有源滤波器，因此需要为每一个有源滤波器增加配电开关，增加了空间布置要求，同时有源滤波器相对费用昂贵。

2.3 十二脉冲整流变频器

较高脉冲数的变频器通常由两个或者更多的六脉冲整流变频器经特殊相位移动的并联变压器组合而成。一般的，一个p脉冲整流变频器可以由p/6个六脉冲整流变频器构成，这些六脉冲整流变频器是通过一个（p/6+1）绕组的变压器（p/6个双绕组变压器或p/12个三绕组变压器）供电的。变压器二次绕组之间的相位移为360°/p。对应的p脉冲整流变频器的特征谐波为pn±1。

按照目前市场上主流的工业变频器，六脉冲整流变频器电流谐波含量大于35%，十二脉冲减小到8%左右，二十四脉冲能够减小到5%以内。

考虑到真二十四脉冲设备配置复杂，价格昂贵的缺陷，番禺项目初期考虑采用虚拟二十四脉冲的方案。即每台电潜泵变频器采用十二脉冲整流变频器，每台变频器输入端配独立的十二脉冲专用三绕组移相变压器，每两台专用三绕组移相变压器网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形联接，从而达到虚拟二十四脉冲的效果，使低压供电母排电流谐波含量控制在 5%以内。真24脉冲和虚拟24脉冲基本结构见图1。

图1 虚拟24脉冲和真24脉冲基本结构图

但该方案通过分析后最终被否定，原因在于海洋石油平台上的生产采油井开采顺序不是确定不变的，随着油藏地质的变化，电潜泵的运行顺序会经常进行调整，因此虚拟二十四脉冲的效果很难得到保证。

2.4 复合方案（十二脉冲加无源滤波或有源滤波）

在采用十二脉冲整流变频器方案的基础上，在低压供电母排靠近主变压器侧加装一台或两台无源滤波器（也可考虑有源滤波器），专门针对11次、13次谐波进行滤波，这样既能够减小成本，又能保证电网谐波达到小于5%的要求。

根据计算可以得到单台 630kVA的十二脉冲整流变频器的总谐波含量为 7.58%，其中 11次为6.37%，13次为 3.57%。进一步计算选型后，确定需为每段低压母排配一台80kvar无源滤波器专门针对11次和13次谐波进行滤波（或配一台200A有源滤波器）

此方案结合了十二脉冲与滤波处理两种应用，实现了总的谐波降低的同时，成本控制在预算费用内，相对性价比最高。

2.5 IGBT整流变频器

由于IGBT可以应用PWM方式进行整流，每次对直流的充电时间都很小，其载波频率可为4kHz，因此在其输入端加上一个标准电抗和滤波电容，即可使变频器谐波直接达到5%以内的要求。

但IGBT整流变频器的最大缺点是价格昂贵，超出预算费用。

3 方案综合对比

通过前面的分析，同时结合空间布置和费用预算，各种方案综合对比简要如表1所示。

4 结论

综合各方案对比分析，最终番禺项目采用性价比最高的十二脉冲整流变频器加无源滤波器的方案。该方案在满足谐波限定条件的同时，在设备空间布置，费用上相对其他方案均存在优势。

通过以上分析可以看出，随着科技的发展，适用于海洋平台电力系统的谐波滤波方案存在多样性。高新技术产品往往可以达到理想的谐波治理效果，并且空间布置较小。但其昂贵的费用是一般项目投资方难以接受的。因此根据平台变频设备具体信息、谐波限定标准、平台电力系统的规模、平台空间大小、项目费用预算等限定条件，合理选择性价比最高的方案才是设计的最终目的。

表1 方案综合对比表

[1] George J. Wakileh (奥地利)，徐政译. 电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:中国电力出版社, 1998.

[3] 孙传森.变频器技术[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4] 温伯银.谐波治理的方法[J].建筑电气,2007(8).

[5] 李达义,陈乔夫,贾正春.电力系统谐波源的种类和滤波方法综述[J].电气传动,2005,35(12).