有源滤波器在海上油气田电力系统中的应用研究

吴飞

有源滤波器在海上油气田电力系统中的应用研究

吴飞

（天津中海油工程设计有限公司）

海上电力系统属于微电网结构，稳定性较差，随着非线性用电设备不断投入使用，谐波含量大大增加，严重影响了电网电压的波形质量，危害电网电能质量，降低了电力系统供电的安全性、稳定性和可靠性。鉴于谐波的危害，通过研究目前普通采用的谐波治理措施，确定采用有源滤波器作为海上电网谐波治理方案。并以工程实际案例进行了佐证分析。

海上油气田；电能质量；谐波治理；有源滤波器

1 引言

海上油气田电力系统包括电能的产生、输送、分配和使用，为工艺流程及生活处理设施所需的用电设备进行供电，主要为泵类用电设备。目前由于工艺流程的改进，大型设备如压缩机、注水泵等改用变频控制，以及模块钻机中的泥浆泵、顶驱等变频系统，低压的许多泵类设备也逐渐需要变频控制，再考虑海上平台联网之间海底电缆传输影响，无功和谐波问题是趋严重。

2 谐波的产生与危害

一般把电力系统中的谐波定义为：一个周期电气量的正弦波分量谓之为谐波，各次谐波的频率为基波的整数倍。探究谐波产生的终极原因无非是非线性负载带来的。呈线性负载的设备所吸收的电流，和电源电压形成的频率是相同，且是正弦波电流，电流和电压间的相位差固定不变；而对于非线性负载，所吸收的电流固然是周期性的，但并不是正弦波电流，因其含有每一次谐波而造成电流的波形失真。当正弦的基波电压施加到非线性设备端时，流过设备的电流和端电压的波形不同，电流发生畸变，由于设备和电网入端连结，因而谐波电流会进入到是电力电网中，因此这些非线性设备也就是电力系统的主要谐波源。

电力系统中的主要谐波源包括：类如变压器等铁磁非线性设备；类如电弧焊机和电弧炉等这类具有强非线性用电的设备；类如交直流变换的电力电子设备。

谐波含量直接影响电压波形的对称性和正弦波的畸变率，近而影响电力系统的稳定性。谐波降低了电能在生产、传输和使用过程中的效率；使用电设备产生过热、引起噪声和振动；导致绝缘老化加速，缩短设备寿命，甚至引起故障或损毁；致使电力系统局部产生谐振，放大谐波含量，造成设备毁坏；引起继电保护装置不动作或误动作；还会干扰通讯电子设备等。因此，谐波的危害已经越来越受到重视，对谐波的治理已经刻不容缓。

3 谐波的治理措施

谐波治理的总体思路。谐波的治理应当首先考虑预防，控制好谐波产生的源头，使系统中产生的谐波尽量减小，就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此，在选择设备和构建系统时，就应该将减小谐波作为一项重要的条件来考虑。例如：整流器中的相位抵消（通过选择合适的相位移动，由低脉波数整流器构成的高脉波数整流器可以消除谐波）或谐波控制；开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。

其次，在预防的基础上，再考虑补救措施。特别是对于既有的用户低压系统来说，由于系统结构已经基本固定，谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。

目前在电力系统中所广泛采用的谐波治理方案，主要有静止无功补偿装置、加装电抗器、多脉动整流器、脉冲宽度调制整流、无源滤波器和有源滤波器。

静止无功补偿装置的主要作用是用于补偿系统过低的无功功率，以改善系统的电压水平和功率因数，仅能起到吸收和抑制少量谐波；加装电抗器虽能起到抑制部分高次谐波的作用，但还是多用于设备侧，以免受浪涌冲击的影响，起到减缓系统变化的效果；对于多脉动整流器而言，普通的六脉动整流必然会产生很多谐波，也是现在电力系统中主要的谐波源之一，通过增加脉动数，能够减少整流过程产生的谐波含量，甚至24脉及其更多脉动数的整流器，能够达到国家标准要求的入网谐波含量，对其相应的投资成本、体积、有效耗材等都将大大增加，统筹考虑下来，总体优势也许并非最佳，但可以作为实际应用中的一种考虑方案；因为控制形式影响，对于脉冲宽度调制整流装置而言，某些特征谐波问题可能会较为突出；无源滤波器在很多电网系统中还依然使用，也起到了较为有效的作用，能够通过特定的电路形式消除系统中的主要次数谐波，也能起到补偿系统无功分量的作用，但往往设备本身体积庞大、有效耗材多，而且并不能消除系统中除主要谐波外的其他次数谐波。有源滤波器的出现适时地解决了无源滤波器面临的问题，不仅能动态追踪并抑制谐波，谐波有效滤除率高；而且可以补偿电网中较低的无功分量，提高电压水平，且响应速度快；在三相不平衡系统中，能通过补偿无功分量校正有功的平衡；适用性强等其他诸多优点。因此，研究确定采用有源滤波器作为海上油气田电网谐波治理的措施。

4 工程实际案例分析

通过对某微电网工程实际案例分析，以六脉动变频器为例，运用EDSA软件模拟计算变频整流设备所产生的谐波源，主要应用谐波分析功能模块，基于IEEE Std.519标准计算。

图1 母线电压、电流波形仿真图

根据仿真分析，母线的电压谐波畸变率约10.31%，电流谐波畸变率约22.75%。IEEE Std.519对普通低压配电网络电压电流畸变极限的要求：低压电网的电流谐波畸变率不超过5%。可见母线电流谐波畸变因数超出标准允许范围，如果不进行谐波治理，不仅增大系统损耗，更会影响电网的稳定性。

根据标准要求，通过计算选定容量为500A有源滤波器进行谐波抑制。谐波治理后，谐波含量小于5%，电网入端的电压和电流波形较为对称，并趋于正弦化，验证了有源滤波器设备良好的实际滤波效果。详见图2。

图2 有源滤波器未开启前、后时的电压、电流波形图（分别为左、右图）

5 总结

在工程实际中，通过对电网实际运行情况的监测，分别检测有源滤波器投入前后的谐波含量及波形频谱图，并与EDSA软件的仿真结果进行对比。其与仿真结果的一致性，验证了EDSA软件分析的准确性，也验证了有源滤波器具备良好的实际滤波效果。为有源滤波器在海上油气田电力系统中运用的可行性及有效性，提供指导性意见，验证了有源滤波器治理方案的有效性。

虽然有源电力滤波器具有优良的抑制谐波的效果，不仅能够动态跟踪并补偿各次谐波，还能避免谐振、抑制闪变，而且能够补偿系统中的缺乏的无功分量，是非常先进、功能强大的滤波手段。且随着我国对有源滤波器研发技术的全面掌握和国内市场的不断引导，以及有源电力滤波器制造成本的下降，国产设备已逐渐替代国外产品，为其快速发展迎来契机。但对有源滤波器技术研究方面，仍然需要在谐波检测、优化系统的控制策略、优化内部电路设计及设备的多功能化等领域不断探索，以期能提高设备运行效率，进一步降低制造成本和设备损耗，并提高设备的可靠性和实用性等。当然，也不能完全忽视其他的滤波手段，针对不同的系统结构，应该采取合适的滤波方案。比如：有源滤波器配备无源滤波器等。此处不再过多赘述，研究学者面临的问题依然很多，希望对滤波的研究能够有进一步发展。

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