ETAP软件在海洋石油平台电力系统谐波分析中的应用

张 强

（中海油研究总院 北京100027）

0 引 言

随着电力电子设备的发展，海洋石油平台上越来越多的电气设备开始应用变频器等非线性设备，这些非线性装置产生大量谐波，使电压和电流形成畸变，严重影响了海洋石油平台电源的质量。

基于海洋石油平台谐波问题的日益突出，需要认识海洋石油平台谐波的特点，并结合谐波分析的结果制定出滤波方案。本文首先介绍ETAP软件在谐波程序的主要内容，随后通过南海某油田项目实例，介绍如何采用ETAP对平台的电力系统进行谐波分析计算，并给出计算报告和初步确定滤波方案。

1 谐波的产生与治理

海洋石油平台谐波污染主要来自变频器，变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，向电网中注入了大量的高次谐波。变频器谐波的表现形式主要为电流谐波与电压谐波两种方式，其中电流谐波主要取决于负载大小及相关的回路阻抗等，电压谐波取决于回路阻抗与总谐波电流［1］。

谐波的危害十分严重。它能使电气设备过热，产生振动和噪声，使设备绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对通信设备和电子设备产生严重的干扰。对于电能质量，许多国家和国际组织都制定了谐波的相应标准，如IEEE Std.519-1992中对谐波电流允许值作了相关规定：

当 Isc/IL＜20，TDD 限值为 5%；当 20＜Isc/IL＜50，TDD限值为8%［2］。其中：Isc为公共连接点的短路电流；IL为公共连接点的负载电流基波分量；TDD为总需求电流畸变率。

我国国家标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中也对电压和电流谐波分量作出了具体规定，如表1和表2所示。

表1 公用电网电压谐波分量限制表

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值

针对谐波产生的原理，可以采用下列方法减小谐波：

（1）增大整流回路的脉冲数；

（2）加大电流侧的电抗，对电流谐波进行平波；

（3）增加有源或无源滤波器进行滤波；

（4）设备选型计算要合理，在满足要求的前提下尽可能减少容量。

考虑使用的经济性，海洋石油平台通常采用无源滤波器来降低平台的谐波水平。

2 使用ETAP软件进行谐波分析及滤波器选型

2.1 ETAP软件介绍

ETAP软件是由美国OTI公司开发的一套全图形化的电力系统仿真分析、计算应用软件，该软件拥有直观、友好的操作界面以及强大而完善的计算分析功能，适用于核电站、海上石油平台、炼油厂、发电厂等场合的电力系统分析和计算［3］。

该软件集成了包括潮流计算、短路计算、暂态稳定性分析、发电机/电机启动分析、谐波计算、优化潮流计算和继电保护配合在内十余种计算模块，实现了在一个工程内通过模块切换按钮即可完成所有计算，给使用者带来了极大的方便。

ETAP谐波分析程序遵从IEEE 519标准，包含谐波潮流计算、频率扫描分析，可对电压与电流的总有效值（RMS）、合成峰值（ASUM）、各次谐波分量及总谐波畸进行计算，并可根据谐波计算的结果进行滤波器的设计及系统的共振检查。

2.2 工程应用实例

本文针对南海某油田项目，利用ETAP软件建立模型、进行谐波分析，然后根据分析结果利用ETAP软件进行滤波器设计，并观察滤波后的效果。

钻采平台DPP设有3台额定功率为5 530 kW的原油发电机组作为平台的主电站，正常运行时为两用一备；同时低压480 V还设有一台1 000 kW的天然气发电机与主电站并联运行，为平台上的工艺、公用、钻机以及采油电潜泵等负荷提供电源。整个平台的电力系统如下页图1所示。

2.2.1 谐波分析计算

本项目钻采平台DPP的母线LC段及LD段专门用来为电潜泵负荷供电，先期工程中先投入8口井，电潜泵均采用一对一交流变频控制，变频器使用的是施耐德 6脉冲的ATV61系列，容量为400 kW及500 kW两种。本实例采用由施耐德提供参数建立的谐波源模型，变频器中各次谐波的百分含量如下页表3所示。

为了使用ETAP软件进行谐波计算，首先要建立钻采平台的电力系统单线图，将工程中需要使用的元件拖拽到图纸OLV1中，并将各种电气参数进行输入，这些元件包括发电机、母线、开关、电缆、变压器、等效静态负荷、电机、变频器等。平台的用电负荷及发电机的容量如表4所示。

图1 钻采平台DPP电力系统图

表3 变频器谐波电流信息

表4 平台发电机容量及平台用电负荷统计表

点击运行“谐波潮流计算”程序，可以得到母线总的谐波电压畸变度（%）以及单次谐波电压畸变度，支路的各次谐波电流及其总的畸变度。通过计算可以看到8套变频器产生了大量的谐波电流，恶化了系统内电源的质量。钻采平台DPP中4.16 kV、0.48 kV的母线电压畸变报告以及母线LC段、LD段的进线电流畸变报告分别见表5、表6，其电压、电流谐波畸变率远超过IEEE 519和国标GB/T 14549限制值。

表5 母线电压畸变报告

表6 变压器二次侧电流畸变报告

2.2.2 滤波器设计

LC段、LD段母排电压、电流谐波畸变率远超过IEEE 519限制值，应采取合理的滤波方式消除谐波，采用就地滤波方式可以减小对电力系统的谐波影响范围，增强电力系统稳定性。因此，首先可确定滤波器应加装在LC、LD段母排处进行滤波，滤波器通常采用室内安装方式。

滤波方式主要有两种，无源滤波器方案或有源滤波器方案。海洋石油中针对电潜泵供电常用的是“一对一的变频器加无源滤波器”方案，如图2所示。

无源滤波器通常由一组或几组单调谐滤波器和高通滤波器构成，该装置与谐波源并联后，除了能滤波外，还能起到无功补偿的作用，以无源滤波器为例说明ETAP如何进行滤波器设计。从先前的分析可知，谐波污染主要来自5次、7次、11次谐波，针对每个谐波源依次添加5次、7次、11次单调谐滤波器。ETAP软件有调谐滤波器容量计算功能，通过该功能可以很快得到需要的合适滤波器容量。使用该功能需要填入以下几项参数［4］：

（1）要滤波的次数及谐波电流的大小；

（2）用于做滤波器的电容的额定电压、最大电压、电抗器最大允许电流和品质因数；

（3）滤波器投用前的现有功率因数、负荷的容量以及补偿后期望的功率因数。

给出这些条件后，软件会自动计算给出电容、电抗器的参数，并可以直接将计算结果替换到滤波器参数里。本实例计算得到5次、7次、11次滤波器中单相电容容量分别为 10.14 kvar、10 kvar、10 kvar，单相电容值分别为 350.6 μF、345.7 μF、345.7 μF，电感值分别为0.3 ohm、0.16 ohm、0.06 ohm。将设计好的滤波器投入，再次进行谐波潮流计算，得到滤波后母线总的谐波电压畸变度以及单次谐波电压畸变度的大小，支路的各次谐波电流及其总的畸变度的大小，见表7和表8，其结果满足 IEEE 519和国标GB/T 14549限制值。

表7 母线电压畸变报告

表8 变压器二次侧电流畸变报告

通过比较与滤波前的电压波形（图3）及滤波后的电压波形（图4），可以看到滤波后的电压更加平滑，基本接近于正弦波，可见，采用合适的无源滤波器能够解决平台谐波的问题。

图3 滤波器投入前LC母线电压波形

图4 滤波器投入后LC母线电压波形

3 结 论

随着海洋石油平台非线性设备（特别是采用交流变频的设备）越来越多，电网中的谐波也越来越严重，因此对电力系统进行谐波分析以及如何有效治理谐波，是平台电力系统设计的重要工作之一。

通过使用ETAP软件，能够对系统进行谐波分析计算，并给出滤波器的选型设计。工程实践表明，ETAP作为全球范围内领先的电力系统仿真分析、计算软件，其功能强大、计算准确，尤其是在电网谐波分析领域，能够简化设计工作量、提高工作效率，对了解并解决当前海洋石油平台日益严重的谐波污染问题具有一定的指导作用。

［1］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2006.

［2］IEEE Std.519-1992.IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems［S］.

［3］凌卫家，吕东晓，戴江江，等.面向用户的电力系统模拟计算高级应用软件［J］.湖北电力，2002，26（2）：33-35.

［4］ETAP User Guide 5.5.0［M］.Irvine：OTI，2006.