1. 番禺項(xiàng)目主要諧波源概況

海洋石油開(kāi)采普遍采用電潛泵方式，由于在石油平臺(tái)開(kāi)采期間井下油藏的壓力、流量等參數(shù)會(huì)隨著開(kāi)采逐年產(chǎn)生變化，為達(dá)到理想的開(kāi)采效果，電潛泵普遍采用變頻器進(jìn)行控制。

番禺油田位于中國(guó)南海，番禺項(xiàng)目有一個(gè)大型生產(chǎn)平臺(tái)，生產(chǎn)井口為30口。根據(jù)采油工藝要求，平臺(tái)機(jī)采方式采用電潛泵，單井電潛泵地面控制設(shè)備全部選擇一對(duì)一變頻器，功率以630kVA為主。平臺(tái)所有井口電潛泵由4臺(tái)獨(dú)立的10500/480V變壓器分4段低壓母排進(jìn)行供電。

在平臺(tái)正常生產(chǎn)工況，電潛泵負(fù)荷最高達(dá)到約8100kW，占到平臺(tái)總負(fù)荷的55%左右，由于平臺(tái)采油大量集中采用變頻器，而變頻器含有大量輸入諧波，對(duì)平臺(tái)電網(wǎng)帶來(lái)污染，因此在平臺(tái)正常生產(chǎn)時(shí)由電潛泵變頻器產(chǎn)生的諧波畸變是相當(dāng)嚴(yán)重的。

2. 諧波治理的主要措施

針對(duì)番禺平臺(tái)采油電潛泵變頻設(shè)備多，占平臺(tái)負(fù)荷比重大的情況。在番禺項(xiàng)目電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，針對(duì)海洋平臺(tái)常用的諧波濾波措施，結(jié)合項(xiàng)目業(yè)主對(duì)諧波的限定要求以及平臺(tái)總體空間布置、費(fèi)用預(yù)算等條件，設(shè)計(jì)院進(jìn)行了大量的方案比選工作，主要方案如下：

• 六脈沖整流變頻器加無(wú)源濾波器
• 六脈沖整流變頻器加有源濾波器
• 十二脈沖整流變頻器
• 十二脈沖整流變頻器加無(wú)源（或有源）濾波器
• IGBT整流變頻器

由于變頻器對(duì)于電網(wǎng)而言主要是電流諧波，因此方案的比較以電流諧波為分析對(duì)象。外方業(yè)主結(jié)合IEEE519標(biāo)準(zhǔn)提出電流諧波含量控制在5%的嚴(yán)格限制，在此基礎(chǔ)上各方案簡(jiǎn)要分析如下：

2.1 六脈沖整流變頻器加無(wú)源濾波器

由于通用六脈沖整流變頻器的電流諧波含量一般都大于35%，因此采用無(wú)源諧波濾波器對(duì)變頻器的輸入諧波電流進(jìn)行濾波，減小變頻諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。此方案在變頻器輸入端加入一臺(tái)無(wú)源諧波濾波器，針對(duì)5、7、11、13次諧波進(jìn)行濾波，可以達(dá)到電流諧波含量小于5%的限定要求。

此方案大多應(yīng)用于小功率變頻器的輸入端，當(dāng)變頻器總的功率較小，平臺(tái)井?dāng)?shù)少，又存在大功率的無(wú)功消耗的場(chǎng)合，在濾除諧波的同時(shí)又提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。

但對(duì)于大功率變頻器來(lái)說(shuō)，無(wú)源濾波器的功率大，補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率也大，當(dāng)平臺(tái)主要的負(fù)載為變頻器時(shí)，過(guò)多的無(wú)功會(huì)形成過(guò)補(bǔ)，其結(jié)果可能會(huì)引起電網(wǎng)無(wú)功過(guò)剩，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，如果發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組采用自勵(lì)方式，很容易產(chǎn)生電樞正反饋效應(yīng)，發(fā)電機(jī)輸出電壓會(huì)異常升高，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)而停機(jī)。

經(jīng)計(jì)算一臺(tái)630kVA的六脈沖整流變頻器需配置的無(wú)源濾波器的無(wú)功容量約為260kvar，按照平臺(tái)30口井為例，總無(wú)功容量約780kvar。如果采用該方案則需要在平臺(tái)電網(wǎng)中考慮增加低壓電抗器的設(shè)計(jì)。

2.2 六脈沖整流變頻器加有源濾波器

有源濾波器是以諧波電流大小進(jìn)行計(jì)算的，一臺(tái)480V的630kVA的六脈沖整流變頻器，基波電流約為601A，總的諧波電流約為基波電流的40%左右，則需要的有源濾波器的電流約為240A，對(duì)于單平臺(tái)以30口井計(jì)算，則需要的總電流約7200A，則需配備24臺(tái)300A有源濾波器。

該方案可將電流諧波嚴(yán)格控制在5%以內(nèi)，但由于采用并聯(lián)有源濾波器，因此需要為每一個(gè)有源濾波器增加配電開(kāi)關(guān)，增加了空間布置要求，同時(shí)有源濾波器相對(duì)費(fèi)用昂貴。

2.3 十二脈沖整流變頻器

較高脈沖數(shù)的變頻器通常由兩個(gè)或者更多的六脈沖整流變頻器經(jīng)特殊相位移動(dòng)的并聯(lián)變壓器組合而成。一般的，一個(gè)p脈沖整流變頻器可以由p/6個(gè)六脈沖整流變頻器構(gòu)成，這些六脈沖整流變頻器是通過(guò)一個(gè)(p/6+1)繞組的變壓器（p/6個(gè)雙繞組變壓器或p/12個(gè)三繞組變壓器）供電的。變壓器二次繞組之間的相位移為360°/p。對(duì)應(yīng)的p脈沖整流變頻器的特征諧波為pn±1。

按照目前市場(chǎng)上主流的工業(yè)變頻器，六脈沖整流變頻器電流諧波含量大于35%，十二脈沖減小到8%左右，二十四脈沖能夠減小到5%以內(nèi)。

考慮到真二十四脈沖設(shè)備配置復(fù)雜，價(jià)格昂貴的缺陷，番禺項(xiàng)目初期考慮采用虛擬二十四脈沖的方案。即每臺(tái)電潛泵變頻器采用十二脈沖整流變頻器，每臺(tái)變頻器輸入端配獨(dú)立的十二脈沖專(zhuān)用三繞組移相變壓器，每?jī)膳_(tái)專(zhuān)用三繞組移相變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分別采用±7.5°外延三角形聯(lián)接，從而達(dá)到虛擬二十四脈沖的效果，使低壓供電母排電流諧波含量控制在5%以內(nèi)。真24脈沖和虛擬24脈沖基本結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1

圖1 虛擬24脈沖和真24脈沖基本結(jié)構(gòu)圖

但該方案通過(guò)分析后最終被否定，原因在于海洋石油平臺(tái)上的生產(chǎn)采油井開(kāi)采順序不是確定不變的，隨著油藏地質(zhì)的變化，電潛泵的運(yùn)行順序會(huì)經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，因此虛擬二十四脈沖的效果很難得到保證。

2.4 復(fù)合方案（十二脈沖加無(wú)源濾波或有源濾波）

在采用十二脈沖整流變頻器方案的基礎(chǔ)上，在低壓供電母排靠近主變壓器側(cè)加裝一臺(tái)或兩臺(tái)無(wú)源濾波器（也可考慮有源濾波器），專(zhuān)門(mén)針對(duì)11次、13次諧波進(jìn)行濾波，這樣既能夠減小成本，又能保證電網(wǎng)諧波達(dá)到小于5%的要求。

根據(jù)計(jì)算可以得到單臺(tái)630kVA的十二脈沖整流變頻器的總諧波含量為7.58%，其中11次為6.37%，13次為3.57%。進(jìn)一步計(jì)算選型后，確定需為每段低壓母排配一臺(tái)80kvar無(wú)源濾波器專(zhuān)門(mén)針對(duì)11次和13次諧波進(jìn)行濾波（或配一臺(tái)200A有源濾波器）

此方案結(jié)合了十二脈沖與濾波處理兩種應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了總的諧波降低的同時(shí)，成本控制在預(yù)算費(fèi)用內(nèi)，相對(duì)性價(jià)比最高。

2.5 IGBT整流變頻器

由于IGBT可以應(yīng)用PWM方式進(jìn)行整流，每次對(duì)直流的充電時(shí)間都很小，其載波頻率可為4kHz，因此在其輸入端加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電抗和濾波電容，即可使變頻器諧波直接達(dá)到5%以內(nèi)的要求。

但I(xiàn)GBT整流變頻器的最大缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，超出預(yù)算費(fèi)用。

3. 方案綜合對(duì)比

通過(guò)前面的分析，同時(shí)結(jié)合空間布置和費(fèi)用預(yù)算，各種方案綜合對(duì)比簡(jiǎn)要列表如下：

4. 結(jié)語(yǔ)

綜合各方案對(duì)比分析，最終番禺項(xiàng)目采用性價(jià)比最高的十二脈沖整流變頻器加無(wú)源濾波器的方案。該方案在滿足諧波限定條件的同時(shí)，在設(shè)備空間布置，費(fèi)用上相對(duì)其它方案均存在優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)以上分析可以看出，隨著科技的發(fā)展，適用于海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的諧波濾波方案存在多樣性。高新技術(shù)產(chǎn)品往往可以達(dá)到理想的諧波治理效果，并且空間布置較小。但其昂貴的費(fèi)用是一般項(xiàng)目投資方難以接受的。

因此根據(jù)平臺(tái)變頻設(shè)備具體信息、諧波限定標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)電力系統(tǒng)的規(guī)模、平臺(tái)空間大小、項(xiàng)目費(fèi)用預(yù)算等限定條件，合理選擇性價(jià)比最高的方案才是設(shè)計(jì)的最終目的。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“ 石油平臺(tái)諧波抑制措施的選擇”，作者為徐建東。）