油田電網(wǎng)的諧波治理

油田生產(chǎn)設(shè)備中存在大量沖擊性和波動性負(fù)荷，它們在運(yùn)行中產(chǎn)生高次諧波，常會使電壓波動、閃變，甚至導(dǎo)致三相不平衡。隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，調(diào)速變頻器在各種機(jī)泵運(yùn)行中得到了廣泛應(yīng)用，在降低能耗的同時導(dǎo)致了電壓波形畸變，產(chǎn)生了大量諧波，造成電網(wǎng)二次污染。在削弱和干擾電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的同時，常發(fā)生設(shè)備非正常啟停,使設(shè)備自身安全性降低，電力計(jì)量儀表的誤差增大。通過諧波治理，可以保證電力設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
1 油田配電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)狀
通過對80 座變電所母線（6 kV）進(jìn)行諧波測試了解到油田配電網(wǎng)諧波污染的現(xiàn)狀如下:
(1)有78 座諧波電流及電壓均在國標(biāo)限值之內(nèi)，主導(dǎo)諧波為5次、7次，超標(biāo)率為2.5%。這與高壓側(cè)變壓器短路容量大，而且變電所距離諧波源距離比較遠(yuǎn)，與諧波的衰減有關(guān)。
(2)共測試218條饋出線，有13條饋出線諧波電流超國標(biāo)限值,超標(biāo)率6%。這些饋出線諧波電流超標(biāo)的主要原因在于這些饋出線所帶低壓負(fù)荷安裝了換流設(shè)備（變頻器為主）。
(3)安裝了低壓變頻裝置測試點(diǎn)的諧波電流或電壓超標(biāo)問題比較突出。
　 所測試的36臺變頻器中有27臺諧波數(shù)據(jù)超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)到75%。杏北二十四變電所周邊地區(qū)測試的7座注入站，諧波數(shù)據(jù)全部超標(biāo)，其中1#注入站4 次諧波電流超標(biāo)55%(國標(biāo)限值39 A,測試值60.34 A)，2#注入站電壓總諧波畸變率超標(biāo)56%(國標(biāo)限值5%,測試值7.8%)。
2 諧波治理技術(shù)
油田目前的諧波抑制措施主要包括主動治理及被動治理，此處研究的諧波治理配套方案屬于被動治理范圍。通過對系統(tǒng)中已經(jīng)存在的諧波進(jìn)行治理，使電網(wǎng)受到的影響減到最小。
2.1無源濾波
2.1.1無源濾波原理
無源濾波器利用電路的諧振原理。當(dāng)發(fā)生對某次諧波的諧振時，對該次諧波形成低阻通路，對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，達(dá)到濾波的目的。結(jié)構(gòu)上利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成濾波電路，可濾除某一次或多次諧波。最普通且易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)[1]。
　　無源濾波器的設(shè)計(jì)主要考慮其諧振頻率及電容器耐壓、電抗器耐流。首先根據(jù)系統(tǒng)所需補(bǔ)償容量確定電容器容量，這樣可以得知電容器阻抗，再根據(jù)系統(tǒng)諧波情況確定諧振頻率，如為5次諧波，一般諧振頻率在240~248之間，由諧振頻率可得知電抗器的感抗值。電容器耐壓應(yīng)考慮基波電壓、電抗器的壓升、諧波電壓；電抗器耐流需考慮基波電流、諧波電流。
2.1.2無源濾波優(yōu)缺點(diǎn)
　 由于無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，運(yùn)行費(fèi)用低，吸收高次諧波效果明顯，在油田生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)諧波治理有關(guān)要求，每臺變頻器自身須有諧波處理裝置，生產(chǎn)廠家為降低成本，大都使用LC單調(diào)諧濾波器。
　 無源濾波器在油田中使用的諧波治理效果并不好，經(jīng)常處于關(guān)停狀態(tài)。其主要原因在于：
　 (1)抑制低次諧波的單調(diào)諧波濾波器只對調(diào)諧點(diǎn)的諧波治理效果明顯，對偏離調(diào)諧點(diǎn)的諧波無效果；
　 (2)當(dāng)油田根據(jù)生產(chǎn)調(diào)整運(yùn)行負(fù)荷，新增或減少運(yùn)行設(shè)備時，系統(tǒng)阻抗和頻率產(chǎn)生波動，無源濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使裝置無法正常運(yùn)行；
　 (3)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷增大時,系統(tǒng)諧波電流隨之增大,無源濾波器可能過載，導(dǎo)致?lián)p壞。
　 由于無源濾波器原理上帶來的不足無法徹底克服，因此有必要嘗試采用其他方式抑制諧波。
2.2有源濾波
2.2.1有源濾波原理
有源濾波器實(shí)際上是一個諧波發(fā)生器，它通過實(shí)時檢測電網(wǎng)上的負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,由IGBT逆變器生成一個與負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，注入到電網(wǎng)，從而抵消負(fù)載諧波，防止諧波電流流入配電系統(tǒng)造成污染，進(jìn)而保證流向系統(tǒng)的電流是一個理想的交流正弦波形[2]。
有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運(yùn)算電路檢測出補(bǔ)償對象電流中的諧波電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波及無功電流進(jìn)行抵消，最終得到期望的正弦電網(wǎng)電流。
2.2.2有源電力濾波器的控制

由有源電力濾波器的基本原理可知，實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器功能的關(guān)鍵首先在于實(shí)時準(zhǔn)確地檢測出負(fù)載中的諧波電流，其次是補(bǔ)償電流的產(chǎn)生和跟蹤。所以有源電力濾波器控制的核心是諧波檢測和電流跟蹤。
諧波和無功電流的檢測主要采用瞬時無功功率理論檢測方法，此方法能夠更有效地協(xié)調(diào)好諧波電流檢測的實(shí)時性和檢測精度之間的矛盾，是目前應(yīng)用較為廣泛的方法。
產(chǎn)生補(bǔ)償電流的控制方法以滯環(huán)比較控制法為主，它兼有響應(yīng)速度快、開關(guān)頻率不高以及控制簡單的特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用。
2.2.3有源濾波優(yōu)缺點(diǎn)
實(shí)際應(yīng)用中，有源濾波器諧波治理效果明顯，能有效抑制系統(tǒng)各次諧波。當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而影響補(bǔ)償效果。不存在過載問題，當(dāng)系統(tǒng)諧波電流增大時，裝置仍可運(yùn)行。其主要問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但由于需要額外電源，運(yùn)行損耗大。
2.3 磁性濾波器
磁性濾波技術(shù)是根據(jù)軟磁材料的特性，在三相品字形磁路對稱結(jié)構(gòu)中，通過繞組和移相連接形成特定的磁路，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理將諧波電能轉(zhuǎn)換為磁能的利用磁場濾波的新技術(shù)。當(dāng)諧波電流經(jīng)過磁性濾波器時，諧波電流產(chǎn)生的磁場在磁性濾波器特殊品字型磁路結(jié)構(gòu)中被分解為方向相反的磁通，相互抵消，達(dá)到消除諧波的目的。
2.3.1磁性濾波優(yōu)點(diǎn)
磁性濾波器是無源類產(chǎn)品，本身耗能極低，不存在電容器補(bǔ)償，不涉及過補(bǔ)問題，可把諧波消除在沒有做功之前，屬于預(yù)防式諧波治理方法。在改善電壓、電流波形的同時提高功率因數(shù)、抑制浪涌和改善三相不平衡。
2.3.2 磁性濾波器應(yīng)用
　 對薩北油田16-1注入站3#注入泵進(jìn)行進(jìn)行磁性濾波器應(yīng)用試驗(yàn)，磁性濾波器串聯(lián)在變頻器入線處，變頻器運(yùn)行頻率為39 Hz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1看出：
(1)原變頻器配電回路電壓總畸變率在5.8%，超出了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。治理后，變頻器配電回路電壓總畸變率降到1.73%；
(2)變頻器配電回路5次諧波濾除率為71.27%， 7次諧波濾除率為87.56%；
(3)變頻器配電回路的功率因數(shù)由0.68提到0.91；

(4)變頻器配電回路總有效電流值降低了25.21%。
隨著油田電網(wǎng)諧波危害的日益加大，采取正確技術(shù)與措施對電力諧波進(jìn)行治理越來越重要。磁性濾波器治理諧波效果顯著，在消除諧波、改善電壓和電流波形的同時凈化了配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提高了線路功率因數(shù)；在提高電能質(zhì)量同時降低能耗，在治理電力諧波問題上具有很好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M]. 北京：中國電力出版社,2006.
[2] 李華.電力有源濾波器發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表,2004(5):1-5.
[3] 國家技術(shù)監(jiān)督局. GB/14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.