引言

海上平臺電網(wǎng)是獨立電網(wǎng),容量小,調(diào)節(jié)能力差,整體電能質(zhì)量差,電網(wǎng)不穩(wěn)定。變頻器在海上平臺電力系統(tǒng)的大量集中應(yīng)用,產(chǎn)生了嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染(圖1),使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率降低,導(dǎo)致電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。限制電力系統(tǒng)的諧波,防止諧波危害,需將電流及電壓諧波畸變率指標(biāo)限制到1EEEstd519和GB/T14549一1993標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

諧波治理大致分為受端治理和主動治理兩種方式。受端治理即提高受諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)的抗諧波干擾能力,改善諧波保護(hù)特性,主要包括發(fā)電機(jī)減小諧波電動勢畸變率,變壓器通過繞組的巧妙連接有效減少某些次數(shù)的諧波等:而主動諧波治理則是從源頭減少諧波。本文主要講述主動治理諧波的主要措施。

1選擇低諧波整流變頻器

從源頭上校正整流器的非線性,使網(wǎng)側(cè)諧波達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。目前海洋平臺上電潛泵專用變頻器主要采用的低諧波整流器有PWM整流器和多脈沖整流器。多脈沖整流變頻器是通過采用移相變壓器增加整流裝置的脈沖數(shù)。海上平臺電潛泵專用多脈沖變頻器以18脈沖中壓變頻器居多。18脈沖二極管整流器由3個并聯(lián)的6脈沖整流器組成,該結(jié)構(gòu)基本消除了13次及以下諧波,相比6脈整流器具有更好的諧波特性。按照輸入諧波標(biāo)準(zhǔn)并對照各種整流電路可得出結(jié)論:整流電路脈沖數(shù)至少多于18脈沖(包括18脈沖)才能滿足輸入諧波的標(biāo)準(zhǔn)。缺點是可能增加額外的整流損耗,且需增加輸入移相變壓器,與6脈沖整流變頻器相比成本偏高。

PWM整流變頻器,采用脈寬調(diào)制技術(shù),整流器用IGBT代替了二極管或半控型功率開關(guān),使變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小,波形接近正弦波,能夠有效抑制諧波和提高功率因數(shù),使得整個系統(tǒng)輸入電流正弦化、接近單位功率因數(shù),而且可以使得能量雙向流動、輸出直流電壓可調(diào)且紋波小。優(yōu)勢:諧波含量≤5%,無需額外配置諧波濾波器:結(jié)構(gòu)設(shè)計上為對稱設(shè)計,整流和逆變單元可互換:結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省安裝空間。缺點:成本偏高。

2外加諧波濾波裝置

通過增加變頻器網(wǎng)側(cè)濾波裝置,阻礙變頻器產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)。

各種濾波設(shè)備連接圖如圖2所示。變頻器標(biāo)配交流/直流電抗器,有效增加了電源阻抗,減少了諧波。進(jìn)線電流的諧波畸變率大約降低30%,但THDi仍然可達(dá)30%~45%。

(1)變頻器一對一配備無源濾波器,消除特定諧波頻率。該設(shè)備利用諧振原理,通過濾波電路對5次和7次諧波進(jìn)行調(diào)諧。LC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運行可靠性較高等優(yōu)點,但在海上應(yīng)用有其局限性,易與系統(tǒng)產(chǎn)生共振,可能從其他負(fù)載吸引或引入諧波,其低負(fù)載下的大量集中應(yīng)用會導(dǎo)致平臺電網(wǎng)功率因數(shù)降低,且諧波治理能力有限,滿載運行時THDi在10%左右。

(2)分檔投切無源濾波器,是一種根據(jù)變頻器功率情況,動態(tài)分檔投切的改進(jìn)優(yōu)化型LC濾波器。當(dāng)變頻器不滿載運行時,可以根據(jù)實際運行功率切除部分濾波支路,使得剩下的、仍然并聯(lián)在進(jìn)線的濾波支路盡量運行在滿載狀態(tài)。本裝置的作用是在保持無源濾波器諧波抑制效果的前提下,盡量降低輕載時所產(chǎn)生的無功功率,提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。

(3)有源濾波器能補償變頻器所產(chǎn)生的諧波,補償方式是產(chǎn)生相位相反的諧波成分,其主回路一般由全控型電力電子器件組成三相橋式電路。其應(yīng)用可以克服LC濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制方法的缺點,不但能消除網(wǎng)側(cè)諧波,還可改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),諧波畸變率可降至5%以下,不需要系統(tǒng)分析,不會引起系統(tǒng)諧振和過補償問題,但相對無源濾波器成本偏高。

主動治理海上平臺潛油電泵變頻器諧波的措施對比如表1所示。通過對比,可根據(jù)實際工況和運營成本擇優(yōu)選擇合適的諧波治理措施,從而更加高效、合理地設(shè)計電潛泵地面控制系統(tǒng),提高生產(chǎn)效率。

3結(jié)語

海上平臺獨立電網(wǎng)存在容量小、調(diào)節(jié)能力差、整體電能質(zhì)量差、電網(wǎng)不穩(wěn)定等問題,而變頻器會產(chǎn)生嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染,使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率降低,導(dǎo)致電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。為了降低諧波對設(shè)備和系統(tǒng)的影響,文章提出了主動治理諧波的主要措施。