劉 羽，喬紅麗，彭重輝，何 偉

（1.海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備分公司，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籌備組，天津 300451；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司吐哈油田分公司設(shè)備科，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 氣田群開發(fā)工程項(xiàng)目中，由于運(yùn)行工況的需要，設(shè)計(jì)設(shè)備配置控制方案中凝析油外輸泵和低壓螺桿壓縮機(jī)均采用低壓變頻器驅(qū)動(dòng)的配置方案。電氣設(shè)計(jì)變頻器的引入，不可避免會(huì)在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波。

電能作為目前廣泛使用的清潔能源之一，已成為人們?nèi)粘Ｉ?、工業(yè)生產(chǎn)最主要的基礎(chǔ)能源。電網(wǎng)輸電所產(chǎn)生的諧波不僅危害電網(wǎng)本身，也會(huì)對(duì)電控設(shè)備及電器設(shè)備產(chǎn)生影響；但在電能的生產(chǎn)過程、傳輸過程都會(huì)產(chǎn)生諧波能（無序能量波），這樣會(huì)嚴(yán)重影響電能的有效使用，會(huì)導(dǎo)致使用效率、傳輸效率大大降低，也會(huì)造成生產(chǎn)過程中及傳輸過程中的電氣系統(tǒng)設(shè)備過熱、噪聲增加、產(chǎn)生振動(dòng)及位移，加速電氣系統(tǒng)線路絕緣老化，故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響使用壽命。電網(wǎng)諧波的更嚴(yán)重危害在于，電網(wǎng)傳輸過程中會(huì)在局部產(chǎn)生串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振，這樣隨著諧波振幅進(jìn)一步疊加放大，會(huì)瞬間導(dǎo)致電氣系統(tǒng)元件及設(shè)備損壞，也可能造成電器元件及設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)對(duì)繼電保護(hù)器或自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂及控制混亂造成誤操作[1]。

主要針對(duì)文昌項(xiàng)目低壓段諧波源的分析計(jì)算，給出了各段諧波水平，并給出了有源濾波器的配套選型及配置方案。

1 系統(tǒng)工況及參數(shù)描述

1.1 電網(wǎng)諧波源分布

文昌9-2/9-3 平臺(tái)設(shè)備配置中有5 臺(tái)設(shè)備通過低壓變頻器驅(qū)動(dòng)，具體為：2 臺(tái)低壓螺桿壓縮機(jī)（2×220 kW）（CEP-LOV-001 LA段配電、CEP-C-2809/2810），3 臺(tái)外輸泵（3×45 kW）（CEP-LOV-001 LA（2001A/B）、CEP-P-2001A/B/C、LB（2001C）段配電）。平臺(tái)電氣總單線圖如圖1 所示。

圖1 平臺(tái)電氣總單線圖

1.2 系統(tǒng)工況

文昌9-2/9-3 平臺(tái)在日常負(fù)荷（負(fù)載）用電情況下，主電站為所有組塊電氣負(fù)荷供電，此用電工況下LA 段母線通過ACB103或通過ACB101 供電。

根據(jù)文昌9-2/9-3 平臺(tái)生產(chǎn)計(jì)劃電氣負(fù)荷高峰期將在2021～2023 年達(dá)到，到時(shí)可能會(huì)由于主電站供電能力不足，需要利用鉆機(jī)模塊上的電站進(jìn)行反供電，反供電期間鉆機(jī)模塊與組塊不并網(wǎng)運(yùn)行，所以，按照反供電的設(shè)計(jì)原則，LA 母線段將與平臺(tái)組塊電網(wǎng)脫離，由平臺(tái)鉆機(jī)模塊電網(wǎng)通過ACB108 為L(zhǎng)A 段單獨(dú)配電[1]。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

400 V 低壓系統(tǒng)主要技術(shù)條件和參數(shù)如下：

（1）CEP-LOV-001-LA 系統(tǒng)：最小短路電流32.298 kA（1.1 s，近似穩(wěn)態(tài)短路電流）。

（2）CEP-LOV-001-LB 系統(tǒng)：最小短路電流30.752 kA（1.1 s，近似穩(wěn)態(tài)短路電流）。

（3）400 V 低壓配電系統(tǒng)接地方式：中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)。

2 電網(wǎng)諧波

諧波是指電壓、電流波形發(fā)生畸變。通常對(duì)諧波解釋為：將得到的一系列周期性大于電網(wǎng)基波頻率的正弦波分量，頻率一般為電網(wǎng)基波的整數(shù)倍。因其非線性特性，所有的諧波均由諧波源產(chǎn)生。諧波源期初只產(chǎn)生諧波電流，由于電流畸變傳輸，在線路上及傳輸設(shè)備上行程相應(yīng)的諧波壓降，產(chǎn)生局部電壓，會(huì)造成原正弦電壓畸變、電網(wǎng)輸送電能波形紊亂的嚴(yán)重后果。

2.1 電網(wǎng)諧波計(jì)算方法

電網(wǎng)電力輸送產(chǎn)生的諧波一般具有對(duì)稱性、獨(dú)立性、相序性。電力系統(tǒng)電網(wǎng)對(duì)不同次數(shù)產(chǎn)生的諧波響應(yīng)相對(duì)獨(dú)立，因此，對(duì)各次產(chǎn)生的諧波進(jìn)行分別處理，對(duì)各次產(chǎn)生的諧波建立單獨(dú)的等效電路，然后可計(jì)算出各次諧波電流及諧波電壓，通過將所有諧波分量相加得到總的諧波響應(yīng)值。

諧波波形畸變可有兩個(gè)指標(biāo)：

（1）諧波含有率HR，輸電交流量周期性第h 次產(chǎn)生的諧波分量方均根值與基波分量方均根值之比用百分?jǐn)?shù)表示。

諧波電流計(jì)算公式簡(jiǎn)述如下：

第h 次產(chǎn)生的諧波電流含有率HRIh

式中 Ih——第h 次產(chǎn)生的諧波電流（方均根值），A

I1——基波產(chǎn)生的諧波電流（方均根值），A

諧波電流含量IH：

兩次諧波源的產(chǎn)生的同次諧波電流疊加在同一條線路上，按已知相位角計(jì)算：

式中 Ih1——諧波源1 的第h 次產(chǎn)生的諧波電流，A

Ih2——諧波源2 的第h 次產(chǎn)生的諧波電流，A

θh——諧波源1 和諧波源2 第h 次產(chǎn)生的諧波電流之間相位角，°

如相位角不確定，可按以下方法進(jìn)行計(jì)算：

式中Kh系數(shù)按表1 選取。

表1 式4 中系數(shù)Kh 的值h

兩次以上同次諧波電流疊加時(shí)，首先將兩次產(chǎn)生的諧波電流疊加，然后再將第3 次產(chǎn)生的諧波電流相繼續(xù)疊加，以此類推疊加所有產(chǎn)生的諧波電流。

諧波電壓計(jì)算公式簡(jiǎn)述如下：

第h 次諧波電壓含有率HRUh：

式中 Uh——第h 次產(chǎn)生的諧波電壓（方均根值），V

U1——基波產(chǎn)生的諧波電壓（方均根值），V

諧波電壓含量UH：

（2）總諧波畸變率THD，輸電交流量周期性總產(chǎn)生的諧波方均根值與基波分量產(chǎn)生的諧波方均根值之比用百分?jǐn)?shù)表示。電壓總諧波畸變率表示為：THDu，電流總諧波畸變率表示為THDi。

按如下公式進(jìn)行具體計(jì)算：

電流總諧波畸變率THDi：

電壓總諧波畸變率THDu：

2.2 諧波源電流計(jì)算

諧波電流計(jì)算按照，母線段：CEP-LOV-001-LA（表2）；母線段：CEP-LOV-001-LB（表3）。

表2 CEP-LOV-001-LA 段諧波電流數(shù)據(jù)[2]

表3 CEP-LOV-001-LB 段諧波電流數(shù)據(jù)

2.3 判定條件

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)電能質(zhì)量的要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：380 V 電網(wǎng)中各奇次諧波電壓含有率限值為4%，各偶次諧波電壓含有率限值為2%。總的諧波電壓畸變率（THDu）允許值為5%，以上均指相電壓。同時(shí)也規(guī)定了注入電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值。標(biāo)準(zhǔn)電壓值380 V，基準(zhǔn)短路容量10 000 kV·A 情況下注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值見表4。

表4 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

由于PCC 點(diǎn)的短路容量不同于假定基準(zhǔn)最小短路容量，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 14549—1993 附錄B 進(jìn)行換算，換算公式如下：

式中 Sk1——公共連接點(diǎn)的最小短路容量，kV·A

Sk2——基準(zhǔn)短路容量，kV·A

Ihp——表2 中的第h 次諧波電流允許值，A

Ih——短路容量為Sk1時(shí)的第h 次諧波電流允許值，A換算后，文昌400 V 系統(tǒng)LA、LB 段電網(wǎng)諧波電流允許值見表5，LA、LB 段超標(biāo)電流值見表6。

表5 諧波電流允許值[2]

表6 諧波電流超標(biāo)值

3 有源濾波器選型

文昌9-2/9-3 中心平臺(tái)為自備電源的獨(dú)立供配電系統(tǒng)，屬于弱電網(wǎng)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型及投產(chǎn)前，無法對(duì)系統(tǒng)的諧波含量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性、合理性，結(jié)合類似工程項(xiàng)目用電工況，文昌9-2/9-3 中心平臺(tái)諧波通過配置有源濾波器來實(shí)現(xiàn)，并預(yù)留10%～15%設(shè)計(jì)裕度。

3.1 設(shè)計(jì)要求

使用有源濾波器對(duì)低壓公用電網(wǎng)進(jìn)行諧波治理后，需使公用電網(wǎng)滿足以下兩個(gè)條件：①將電網(wǎng)諧波電流最小允許值作為注入低壓電網(wǎng)公共點(diǎn)諧波電流；②保證電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的總諧波畸變率小于5%，奇次各次電壓含有率小于4%。

3.2 系統(tǒng)配置

針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，并借鑒以往項(xiàng)目的諧波治理經(jīng)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)裕度后的各段諧波電流如下：

CEP-LOV-001 LA 段完全濾波：281.06 A×110%≈310 A

CEP-LOV-001 LB 段因諧波含量占比很小，可以不配置濾波裝置。

3.3 配置效果

依據(jù)LA 段諧波電流的計(jì)算數(shù)值，選用容量為310 A 的有源濾波器，表7 給出了配置310 A 有源濾波器后的諧波電流及諧波電壓情況。

表7 配置有源濾波器（APF）后LA 段諧波電壓、電流

4 結(jié)束語

通過諧波計(jì)算，最終選擇在400 V 低壓系統(tǒng)的LA 段進(jìn)行諧波治理，并配置1 套容量為310 A 的有源濾波器，由于LA 段在實(shí)際應(yīng)用中有雙向配電的工況，結(jié)合這一特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，配置2 套電流互感器，分別對(duì)LA 的總電流進(jìn)行測(cè)量，兩套電流互感器分別安裝在LA 段母排雙向供電的電流輸入側(cè)（ACB101、ACB108）柜內(nèi)的水平同排上，實(shí)現(xiàn)不同工況下，對(duì)線路電流的有效測(cè)量，保證有源濾波器在使用中對(duì)諧波的有效治理，為文昌9-2/9-3 中心平臺(tái)的可靠運(yùn)行提供了有力的保障。