文昌中心平台谐波分析及有源滤波器选型设计

刘 羽，乔红丽，彭重辉，何 伟

（1.海洋石油工程股份有限公司特种设备分公司，天津 300451；2.海洋石油工程股份有限公司天津智能化制造基地筹备组，天津 300451；3.中国石油天然气股份有限公司吐哈油田分公司设备科，新疆哈密 839000）

0 引言

海洋石油工程股份有限公司文昌9-2/9-3/10-3 气田群开发工程项目中，由于运行工况的需要，设计设备配置控制方案中凝析油外输泵和低压螺杆压缩机均采用低压变频器驱动的配置方案。电气设计变频器的引入，不可避免会在电力系统中产生谐波。

电能作为目前广泛使用的清洁能源之一，已成为人们日常生活、工业生产最主要的基础能源。电网输电所产生的谐波不仅危害电网本身，也会对电控设备及电器设备产生影响；但在电能的生产过程、传输过程都会产生谐波能（无序能量波），这样会严重影响电能的有效使用，会导致使用效率、传输效率大大降低，也会造成生产过程中及传输过程中的电气系统设备过热、噪声增加、产生振动及位移，加速电气系统线路绝缘老化，故障频发，严重影响使用寿命。电网谐波的更严重危害在于，电网传输过程中会在局部产生串联谐振、并联谐振，这样随着谐波振幅进一步叠加放大，会瞬间导致电气系统元件及设备损坏，也可能造成电器元件及设备烧毁。谐波还会对继电保护器或自动控制装置产生干扰，使电能计量出现混乱及控制混乱造成误操作[1]。

主要针对文昌项目低压段谐波源的分析计算，给出了各段谐波水平，并给出了有源滤波器的配套选型及配置方案。

1 系统工况及参数描述

1.1 电网谐波源分布

文昌9-2/9-3 平台设备配置中有5 台设备通过低压变频器驱动，具体为：2 台低压螺杆压缩机（2×220 kW）（CEP-LOV-001 LA段配电、CEP-C-2809/2810），3 台外输泵（3×45 kW）（CEP-LOV-001 LA（2001A/B）、CEP-P-2001A/B/C、LB（2001C）段配电）。平台电气总单线图如图1 所示。

图1 平台电气总单线图

1.2 系统工况

文昌9-2/9-3 平台在日常负荷（负载）用电情况下，主电站为所有组块电气负荷供电，此用电工况下LA 段母线通过ACB103或通过ACB101 供电。

根据文昌9-2/9-3 平台生产计划电气负荷高峰期将在2021～2023 年达到，到时可能会由于主电站供电能力不足，需要利用钻机模块上的电站进行反供电，反供电期间钻机模块与组块不并网运行，所以，按照反供电的设计原则，LA 母线段将与平台组块电网脱离，由平台钻机模块电网通过ACB108 为LA 段单独配电[1]。

1.3 系统参数

400 V 低压系统主要技术条件和参数如下：

（1）CEP-LOV-001-LA 系统：最小短路电流32.298 kA（1.1 s，近似稳态短路电流）。

（2）CEP-LOV-001-LB 系统：最小短路电流30.752 kA（1.1 s，近似稳态短路电流）。

（3）400 V 低压配电系统接地方式：中性点绝缘系统。

2 电网谐波

谐波是指电压、电流波形发生畸变。通常对谐波解释为：将得到的一系列周期性大于电网基波频率的正弦波分量，频率一般为电网基波的整数倍。因其非线性特性，所有的谐波均由谐波源产生。谐波源期初只产生谐波电流，由于电流畸变传输，在线路上及传输设备上行程相应的谐波压降，产生局部电压，会造成原正弦电压畸变、电网输送电能波形紊乱的严重后果。

2.1 电网谐波计算方法

电网电力输送产生的谐波一般具有对称性、独立性、相序性。电力系统电网对不同次数产生的谐波响应相对独立，因此，对各次产生的谐波进行分别处理，对各次产生的谐波建立单独的等效电路，然后可计算出各次谐波电流及谐波电压，通过将所有谐波分量相加得到总的谐波响应值。

谐波波形畸变可有两个指标：

（1）谐波含有率HR，输电交流量周期性第h 次产生的谐波分量方均根值与基波分量方均根值之比用百分数表示。

谐波电流计算公式简述如下：

第h 次产生的谐波电流含有率HRIh

式中 Ih——第h 次产生的谐波电流（方均根值），A

I1——基波产生的谐波电流（方均根值），A

谐波电流含量IH：

两次谐波源的产生的同次谐波电流叠加在同一条线路上，按已知相位角计算：

式中 Ih1——谐波源1 的第h 次产生的谐波电流，A

Ih2——谐波源2 的第h 次产生的谐波电流，A

θh——谐波源1 和谐波源2 第h 次产生的谐波电流之间相位角，°

如相位角不确定，可按以下方法进行计算：

式中Kh系数按表1 选取。

表1 式4 中系数Kh 的值h

两次以上同次谐波电流叠加时，首先将两次产生的谐波电流叠加，然后再将第3 次产生的谐波电流相继续叠加，以此类推叠加所有产生的谐波电流。

谐波电压计算公式简述如下：

第h 次谐波电压含有率HRUh：

式中 Uh——第h 次产生的谐波电压（方均根值），V

U1——基波产生的谐波电压（方均根值），V

谐波电压含量UH：

（2）总谐波畸变率THD，输电交流量周期性总产生的谐波方均根值与基波分量产生的谐波方均根值之比用百分数表示。电压总谐波畸变率表示为：THDu，电流总谐波畸变率表示为THDi。

按如下公式进行具体计算：

电流总谐波畸变率THDi：

电压总谐波畸变率THDu：

2.2 谐波源电流计算

谐波电流计算按照，母线段：CEP-LOV-001-LA（表2）；母线段：CEP-LOV-001-LB（表3）。

表2 CEP-LOV-001-LA 段谐波电流数据[2]

表3 CEP-LOV-001-LB 段谐波电流数据

2.3 判定条件

GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》对电能质量的要求。标准规定：380 V 电网中各奇次谐波电压含有率限值为4%，各偶次谐波电压含有率限值为2%。总的谐波电压畸变率（THDu）允许值为5%，以上均指相电压。同时也规定了注入电网公共连接点的谐波电流允许值。标准电压值380 V，基准短路容量10 000 kV·A 情况下注入公共连接点的谐波电流允许值见表4。

表4 注入公共连接点的谐波电流允许值

由于PCC 点的短路容量不同于假定基准最小短路容量，应按照国标GB/T 14549—1993 附录B 进行换算，换算公式如下：

式中 Sk1——公共连接点的最小短路容量，kV·A

Sk2——基准短路容量，kV·A

Ihp——表2 中的第h 次谐波电流允许值，A

Ih——短路容量为Sk1时的第h 次谐波电流允许值，A换算后，文昌400 V 系统LA、LB 段电网谐波电流允许值见表5，LA、LB 段超标电流值见表6。

表5 谐波电流允许值[2]

表6 谐波电流超标值

3 有源滤波器选型

文昌9-2/9-3 中心平台为自备电源的独立供配电系统，属于弱电网。项目设计选型及投产前，无法对系统的谐波含量进行准确测量，为保证系统设计的完整性、合理性，结合类似工程项目用电工况，文昌9-2/9-3 中心平台谐波通过配置有源滤波器来实现，并预留10%～15%设计裕度。

3.1 设计要求

使用有源滤波器对低压公用电网进行谐波治理后，需使公用电网满足以下两个条件：①将电网谐波电流最小允许值作为注入低压电网公共点谐波电流；②保证电网电压产生的总谐波畸变率小于5%，奇次各次电压含有率小于4%。

3.2 系统配置

针对系统特点，并借鉴以往项目的谐波治理经验，增加设计裕度后的各段谐波电流如下：

CEP-LOV-001 LA 段完全滤波：281.06 A×110%≈310 A

CEP-LOV-001 LB 段因谐波含量占比很小，可以不配置滤波装置。

3.3 配置效果

依据LA 段谐波电流的计算数值，选用容量为310 A 的有源滤波器，表7 给出了配置310 A 有源滤波器后的谐波电流及谐波电压情况。

表7 配置有源滤波器（APF）后LA 段谐波电压、电流

4 结束语

通过谐波计算，最终选择在400 V 低压系统的LA 段进行谐波治理，并配置1 套容量为310 A 的有源滤波器，由于LA 段在实际应用中有双向配电的工况，结合这一特点，系统设计时，配置2 套电流互感器，分别对LA 的总电流进行测量，两套电流互感器分别安装在LA 段母排双向供电的电流输入侧（ACB101、ACB108）柜内的水平同排上，实现不同工况下，对线路电流的有效测量，保证有源滤波器在使用中对谐波的有效治理，为文昌9-2/9-3 中心平台的可靠运行提供了有力的保障。