李旭阳
中海油能源发展装备技术有限公司 天津市滨海高新区 300450
摘要：目前潜油电机变频器广泛应用于海上石油平台电力系统中，具有变频生产以及电机转速控制等优点，但是也为海上石油平台电力系统带来了谐波污染的问题。基于变频器谐波产生的原理，对油井井口平台的谐波电流和谐波电压进行分析。此外，对谐波抑制措施进行了探讨，并对有源滤波器进行了谐波抑制。
关键词:海上石油平台;变频器;谐波;有源电力滤波器
1前言
在我国快速发展时期的海上石油开发过程中，电子设备作为电力设备的主要组成部分，如不间断电源、变频器、软启动器等已经在海上石油平台上越来越广泛地应用于电力系统中。随着快速增长的电力系统中谐波含量,谐波的影响在海上石油平台的电力系统电压和电流波形畸变偏离正弦波形,电能质量下降,严重影响平台正常运行的电力系统,以及电力设备和通讯设备。
海上石油平台低压配电系统中潜油电机使用的变频器,由于精度高和调速范围大，以及系统稳定性等其他原因,所以大量的用于当前的海上石油平台低压配电系统中,在目前的一对一变频控制方法中，是可以获得理想的运行速率,而且采油效果好,但由于电潜泵负载能力在井口平台上占总负载平台的60%以上,谐波超标严重。通过安装有源滤波器，可以解决海上石油平台低压配电系统的谐波问题，还能够提高供电设备运行的可靠性，提高设备使用寿命;减少谐波电流对输电线路和配电线路的热损伤，降低谐波对通信系统等弱电设备的干扰和影响。
2谐波的产生
谐波产生的根本原因是非线性负载。当电流流过负载时，它与所增加的电压没有线性关系，并形成非正弦电流，产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅里叶分析的原理证明，任何重复的波形都可以被分解为包含基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波有不同的频率、幅值和相位角。谐波可以分为偶次和奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，消除了偶次谐波，只有奇次谐波存在，而奇次谐波会造成更大的破坏和伤害。
在结构方面，变频器可分为间接变频和直接变频。间接变频将工频电流通过整流器转换为直流，然后通过逆变器将直流转换成可控频率的交流。直接变频是把工变交流转变成与可控频率的交流，中间没有直流环节。它的每一个相位都是一个有两组晶闸管整流装置的可逆电路，正反的两组按照一定周期相互切换,得到交流负载输出电压,电压的振幅频率取决于每个整流装置的控制角，频率是由两组整流装置的切换频率决定的,间接变频器目前被广泛应用。间接变频的结构形式是采用可控整流变压器，采用逆变器变频调压和调频两种方式进行控制电路的协调与协作。PWM逆变器可以同时转换为不可控制的整流器，如果一个完全控制的设备如IGBT的输出波形被控制，这个变频器只能有一个非常逼真的正弦波。无论是什么样的变频器,都是广泛使用晶闸管的非线性电力电子组件。整流器、逆变器从电网能源发出的不是连续的正弦波,但电网的电流脉冲和电网阻抗相互叠加，使得电压产生畸变,分析表明,非周期正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。
3谐波危害
3.1对供配电线路的危害
供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，保证线路与设备的安全。晶体管继电器虽有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。谐波电流使输电线路的电能损耗增加，当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
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3.2对电力设备的危害
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。
3.3对用电设备的危害
特别对电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动,可靠性降低,造成系统事故,严重威胁电力系统的安全运行。对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器受谐波电流的影响，铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于集肤效应与铁耗增加引起发热，使额定电流与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低的更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点、线圈温度，使额定电流降低。对于热继电器来说，谐波电流会使额定电流降低，它们都有可能造成误动作。
4变频器谐波的滤除和抑制
4.1产生谐波的相关原理和谐波的抑制方法
(1)负载负荷的大小，负载电流越大，谐波电流越大;
(2)变频器的整流的容量越大，谐波电流越大;
(3)整流的脉波数越大，电流阶梯越多，越接近正弦波，谐波电流越小;
(4)整流控制的相位滞后角，重叠角大，谐波电流小;
(5)电网容量越大，相对谐波比越小;
(6)电网侧的感抗越大，越能起到平波作用，谐波电流影响越小。
针对以上谐波产生的原理，在进行设计中要充分考虑谐波的影响，为减小谐波电流对其它设备的干扰，
可采取以下方法:
(1)增大整流回路的脉波数，可有效降低谐波电流;
(2)加大电源侧的电抗，对电流谐波进行平波;
(3)在进线回路加输人滤波器，减小高次谐波的干扰;
(4)减小负载，并减小变频器的容量;
(5)设备选型计算要求合理，在满足机组要求的同时尽可能减小容量。
4.2有源滤波器
有源滤波器是基于电流检测和电流注人技术，用于动态抑制谐波、补偿无功的采用现代电力电子技术和数字信号处理技术制成的大功率电力电子装置。
有源滤波器的工作原理:通过外部互感器CT实时采集电流信号，将检测的谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，以抵消原线路谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量，实现滤除谐波、动态补偿系统无功与电压波动、提高功率因数的目的。
5结束语
海上平台低压配电系统采用有源滤波装置,对潜油电机变频器谐波抑制,可以很好的解决由谐波引起的问题,并能提高电能质量,保证设备的正常运行,而且谐波电流和谐波电压降低到了国家有关标准值以下、功率因数提高,减少了对上级电网的污染,具有很好的谐波抑制效果。
参考文献
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[3]胡辉,吴锋,邹道标,李大全.有源滤波器在海洋平台的应用分析[J].中国海洋平台,2011,26(5):47-52.
论文作者:李旭阳
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/11
标签：谐波论文; 电流论文; 电容器论文; 变频器论文; 电网论文; 基波论文; 滤波器论文; 《防护工程》2018年第14期论文;