梅業(yè)偉 郭永強(qiáng) 馬 坤

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085）

1 油氣田孤網(wǎng)諧波特點

油氣田地面工程的工藝流程中需要大功率的壓縮機(jī)和各種泵，一般幾百千瓦到幾個兆瓦，油氣田孤網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)容量一般在幾個兆瓦到上百兆瓦，因而這些設(shè)備需要軟起動器。有些工藝流程中也需要對一些泵進(jìn)行變頻調(diào)速，這些電力電子設(shè)備會產(chǎn)生大量諧波，因而油氣田的諧波次數(shù)主要為mP±1，m為正整數(shù)，P為電力電子裝置的整流脈波[1]。

油田工藝中存在大量的電機(jī)和電動閥，諧波對它們的影響主要是：增加電機(jī)的損耗和噪聲；增加絕緣材料應(yīng)力，從而減少電機(jī)壽命；正-負(fù)序的諧波對（如5次和7次諧波）可能引起電機(jī)的機(jī)械震蕩[1]。

2 諧波控制的方案

諧波控制通常有3種方案：就地控制、母線集中控制、就地與集中綜合治理。

就地控制方案是對設(shè)備向電網(wǎng)注入的諧波電流進(jìn)行控制，即在非線性負(fù)載的電源側(cè)安裝諧波濾波器，將非線性負(fù)載的輸入電流中的諧波成分去掉，此方案對系統(tǒng)設(shè)計最為方便，但是增加了成本。

母線集中控制是目前應(yīng)用最廣泛的方案，此方案保證公共電網(wǎng)的質(zhì)量，限制注入公共電網(wǎng)的諧波電流，滿足公共點的電能質(zhì)量要求，但是不一定能夠滿足企業(yè)內(nèi)部的諧波要求。

將就地控制和集中控制結(jié)合起來稱為綜合控制方案，該方案能夠同時對電網(wǎng)公共點和系統(tǒng)內(nèi)部的諧波進(jìn)行控制。

由于公司目前的油氣田開發(fā)主要集中在非洲及中東的不發(fā)達(dá)國家，油氣田孤網(wǎng)系統(tǒng)一般和外網(wǎng)無聯(lián)絡(luò)，所以更為注重內(nèi)部的諧波水平，且根據(jù) GB 50052—2009 6.0.4款“容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)且經(jīng)常使用的用電設(shè)備的無功功率，宜單獨就地補(bǔ)償”，對于功率較大的諧波源，可采用就地治理的方法，其他零散的諧波源負(fù)載，則可統(tǒng)一在母線上集中治理。

3 非線性設(shè)備諧波評估的3個階段

根據(jù)上面的方案，諧波的控制主要分為非線性設(shè)備和公共電壓點（一般為母線）上的控制。非線性設(shè)備諧波的評估根據(jù)ER G5/4-1第五部分劃分為了3個階段。

3.1 階段1（低壓系統(tǒng)）

第一階段適用于低壓系統(tǒng)，規(guī)定當(dāng)總的非線性設(shè)備一相電流不大于 16A且諧波發(fā)射值滿足 IEC 61000 3-2則設(shè)備可以直接與電網(wǎng)相連，大于16A時若諧波發(fā)射值滿足IEC 61000 3-4，則可直接連接，否則需采取諧波抑制措施后才能與電網(wǎng)連接。一般油田工藝設(shè)備大多額定電流大于 16A，因而主要考慮IEC 61000 3-4。采取諧波抑制措施后達(dá)到表1的要求則就可與電網(wǎng)直接連接[2]。

表1 額定電流大于16A時允許的最大單相諧波電流有效值（STAGE 1）

（續(xù)）

3.2 階段2（33kV以下系統(tǒng)）

第二階段適用于始終無法滿足第一步要求的低壓設(shè)備和 33kV以下系統(tǒng)。對于 6.6～22kV系統(tǒng)，當(dāng)三相六脈波變流器功率不大于 130kVA，12脈波不大于250kVA，則可與系統(tǒng)直接相連[2]，由于油田地面工程的變流器容量一般高于此值，因此對此不做過多討論。

對于系統(tǒng)中更大功率的三相變流器，ER G5/4-1規(guī)定如果滿足表2，引起的電壓畸變小于 75%的規(guī)劃水平，且引起的電壓畸變滿足表3，則可以直接跟電網(wǎng)連接，考慮到ER G5/4-1是英國結(jié)合其島國電網(wǎng)的特點，對國網(wǎng)諧波水平的限制，由于大電網(wǎng)有不可預(yù)期的非線性負(fù)載接入，因此根據(jù)電網(wǎng)的諧波規(guī)劃水平預(yù)留了25%的裕量，考慮到我們油田孤網(wǎng)系統(tǒng)一般的擴(kuò)建時間及大容量的非線性負(fù)荷是可預(yù)見的，因此75%的規(guī)劃水平可以不考慮，只要求本期及后續(xù)擴(kuò)建引起的電壓諧波畸變 Vhp不超過諧波規(guī)劃水平即可。諧波規(guī)劃水平詳見本文第4部分。

表2 最大允許諧波電流值的單相有效值（STAGE 2）

表3 THD與5th諧波的電壓限值

表4 不同系統(tǒng)電壓的典型短路容量值

在該階段對諧波電壓限值有所限制，根據(jù) ER G5/4-1給出公式估算。

Vhp= Vhm+ Vhc（適用于5次諧波和3n次諧波）

Vhp=(適用于除5次和3n次諧波外的所有次諧波）

式中，h為諧波次數(shù)；Z1為基波下的系統(tǒng)阻抗，Ω；Zh為 h次諧波下的系統(tǒng)阻抗，Ω；Ih為公共電壓點（PCC）上接入的 h次諧波電流（有效值），A；F為系統(tǒng)短路容量，MVA；Vhc為電壓畸變計算值，%；Vhm為已建系統(tǒng)電壓畸變測量值，%；Vhp為電壓畸變預(yù)測值，%。

K的取值見表5。

表5 ‘K’值

3.3 階段3（33kV及以上系統(tǒng)）

第三階段適用于無法滿足第二階段諧波要求的設(shè)備和 33kV及以上系統(tǒng)的諧波值。此階段的評估主要分為3部分：測量已有系統(tǒng)的電壓畸變水平、預(yù)測新增非線性設(shè)備引起的電壓畸變、根據(jù)已有的和新增電壓畸變值來評估對系統(tǒng)的影響。如果引起的電壓畸變水平滿足本文第四部分的要求，則可直接連接，否則需要設(shè)備就地進(jìn)行諧波抑制，達(dá)到要求后方能與電網(wǎng)相連。

4 公共電壓點上的諧波畸變限值

對非線性設(shè)備進(jìn)行評估后，需要對整個系統(tǒng)的公共電壓點的電壓畸變有一個要求，綜合IEEE 519—2004、ER G5/4-1-2001及GB/T 14549—1993，電壓畸變水平可以按表6～表9進(jìn)行作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

33kV以下電壓等級系統(tǒng)的電壓畸變水平可以根據(jù)第三部分中第2階段給出的THD計算公式進(jìn)行計算，對于 33kV及以上電壓等級或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或?qū)χC波有十分嚴(yán)格要求的系統(tǒng)，一般通過電力系統(tǒng)仿真軟件來確定諧波畸變水平。如果不滿足表6～表9的限值要求則需對諧波電流進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制，進(jìn)一步減小諧波源向系統(tǒng)注入的諧波電流。

對于油氣田地面工程，電壓等級主要取決于油氣田區(qū)塊內(nèi)不同產(chǎn)區(qū)的距離，一般電壓等級不超過132kV，目前在非洲和中東地區(qū)油氣田用的比較多的輸電線路電壓等級為33kV與11kV，大功率的壓縮機(jī)等一般采用 11kV電壓等級，站內(nèi)配電采用400V電壓等級。因此油氣田內(nèi)部諧波電壓畸變水平的評估可采用計算機(jī)軟件仿真和第三部分給出的公式相結(jié)合的方法來進(jìn)行控制。

表6 THD規(guī)劃限值匯總

表7 400V系統(tǒng)諧波限值

表8 6.6kV、11kV和20kV系統(tǒng)諧波限值

現(xiàn)以中東某油田注水站為例簡要說明一下該控制程序的實際應(yīng)用。

該注水站系統(tǒng)容量5MW，與油田電網(wǎng)無聯(lián)系，電源為5臺1MW/400V柴油發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)電壓等級400V，系統(tǒng)阻抗為0.008Ω，主要諧波源為3臺6脈波315kW變頻器和兩臺6脈波132kW軟起動器，無后期擴(kuò)建規(guī)劃。

該系統(tǒng)無變壓器，將5臺發(fā)電機(jī)直接連在兩段母線上，實現(xiàn)集中補(bǔ)償方式十分困難，且變頻器需要調(diào)速，會經(jīng)常使用，結(jié)合本文第二章內(nèi)容，采取就地補(bǔ)償。

諧波源為六脈波整流，主要諧波分布為5次、7次、9次、11次、13次、…，相應(yīng)次數(shù)諧波的電流值與額定電流的關(guān)系為Ih=In/h。

315kW變頻器額定電流In=560A；

132kW變頻器額定電流In=230A；

則諧波電流超過了表2的要求，需要廠家自帶APF，將5次諧波電流控制在每相14.45A以下，7次諧波控制在每相20.6A以下。

然后評估400V母線上的電壓畸變水平。

依次類推，得出50次以下諧波電壓的百分比，最終等到THD滿足表6要求，該系統(tǒng)諧波控制滿足要求。

表9 20～145kV系統(tǒng)諧波限值

5 結(jié)論

本文根據(jù)油田孤網(wǎng)系統(tǒng)的特點，結(jié)合國內(nèi)外諧波治理標(biāo)準(zhǔn)，對油田地面工程的孤網(wǎng)電力系統(tǒng)諧波控制進(jìn)行了探討，對控制方案、非線性設(shè)備能否直接與電網(wǎng)相連，滿足什么條件能夠連接分3個階段進(jìn)行了詳細(xì)的討論，給出了諧波電壓估算的公式。最后根據(jù)國內(nèi)外諧波標(biāo)準(zhǔn)，對整個系統(tǒng)的電壓諧波畸變水平根據(jù)不同的電壓水平在第四部分給出，給出了油田諧波控制需要達(dá)到的目標(biāo)。

[1] IEEE-519:2004 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems.

[2] ER G5/4-1:2001 Planning Levels for Harmonic Voltage Distortion and the Connection of Non-Linear Equipment to Transmission Systems and Distribution Networks in the UK.

[3] IEC 61000-3 Part 3-2:2009 Limits-Limits for harmonic current emissions (equipment input current≤16 A per phase).

[4] IEC 61000-3 Part 3-4: 1998 Limits-Limitation of emission of harmonic currents in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16A.

[5] GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波.

[6] GB 50052—2009.供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范.