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引言

隨著海上平臺潛油電泵地面變頻控制系統大規模應用,變頻器諧波對平臺電網的污染也越來越明顯。現在海上平臺在大量應用變頻器的情況下均要求配置諧波吸收或者濾波裝置。海上平臺供電系統采用自主發電或者由中心平臺供電方式,海上平臺供電系統容量相對于一般陸地工業用電來說屬于小電網,且一般潛油電泵負載占平臺總負載的40%～60%。

在現場應用中大多數變頻系統配置無源濾波器作為諧波治理和無功補償方式。但由于變頻器和無源濾波器一般是按照該井整個生產周期內的最大負載選型,變頻器和無源濾波器在大多數工作情況下負載率較低。另外,當選擇的變頻器功率較小時,由于無對應功率的無源濾波器可選,故只能放大一檔選用,也使得無源濾波器容量偏大、負載偏小。當平臺變頻器臺數較多時,由于無源濾波器有無功補償作用,最終就會導致海上平臺出現過補現象,造成平臺發電系統和電網的不穩定。

無源濾波器的設計一般以安裝容量、電容補償容量、系統諧波電壓和電流畸變率、電容過電壓和過電流為依據。為有效解決無源濾波和無功過補償問題,需進行濾波支路無功補償容量分配,合理進行支路組合和投切操作,以提高工作性能和運行操作效率。針對上述問題,提出一種基于濾波支路負載率的無源濾波器無功補償容量分配及投切控制方法。

1分檔投切濾波器的基本設計原理

普通無源濾波器不能隨著無功負荷變動隨時調整補償容量,會出現低負荷時過補償現象,造成海上平臺發電系統和電網的不穩定,對平臺用電設備安全運行危害很大。為使無功得到合理的補償,需要根據電網的負載變化,實時投入或切除濾波電容器組,調整補償容量獲得功率因數最佳值,消除低負荷過補償現象。由于無功負荷變動幅度較大,頻繁投切會使電容器磨損增加,電容器分組組數不宜太多,為了方便維護和互相備用,這里我們采用三組濾波支路。

2投切控制方式

正常運行時,采用手動和自動方式控制濾波支路的投切,采用自動裝置控制,根據功率因數變化,自動投入或切除電容器組。現介紹以下幾種自動控制方式。

2.1電流控制方式

根據負載電流的大小變化,適時投切濾波電容器,將功率因數基本保持在一定的水平。采用電流控制,須考慮系統運行各工況,對濾波電容器分組優化設計,可在一定程度上避免無功過補。這種方式簡單,控制效果也很好,但在一些工況下,如果負載較重、電流較大,可能功率因數較高,而電容器投入較多,可能存在較小的無功過補的問題。

電流控制二次原理圖如圖1所示。

2.2無功補償控制方式

可采用直接無功功率控制,根據負載無功功率的變化,投切濾波電容器組,使之和負載無功功率相平衡,按檢測的無功功率給出信號,將無功功率控制在較小的范圍。采用該方法,可保證不會出現無功功率過補的問題。

無功控制二次原理圖如圖2所示。

2.3功率因數控制方式

利用監測裝置檢測負荷的功率因數,通過檢測數據的處理和執行元件,實現對電容器組的投切,維持功率處于最佳值,多用于低壓380v。

該控制方式存在元件較為復雜、投資較高等缺點。

3串聯無源濾波器分組投入風險分析

在此針對是否可串聯濾波器模塊分組投切進行分析論證。分組投入單個無源濾波器存在風險的本質原因為:串聯無源濾波器由電抗器和電容器組成,根據電路基本定律電抗器上的電流不能突變,電容器上電壓不能突變,在切除串聯無源濾波器時,電抗器上電流只有3個通路可以流通:電源、變頻器以及無源濾波器本身的電容支路。電抗器上電流流通這3個通路會在相應的元器件上產生高電壓。

基于以上分析,采用相關軟件對可能產生的風險進行了仿真模擬,仿真中采用200kVA變壓器帶變頻器拖動20kw電機,仿真了1s和1.05s的兩次動作,一次為切除一臺濾波器,一次為投入濾波器,分析可知采用串聯的無源濾波器分組投入存在以下風險。

3.1變頻器直流電容器因電壓過高損壞

仿真變頻器中直流側電容電壓如圖3所示,正常運行時400VAC母線電壓為560V,濾波器投入的很短時間內,濾波器向變頻器直流母線電容器進行充電,根據圖3變頻器直流母線電壓可能達到800V,該情況可能損壞直流側電解電容器。

圖3變頻器直流電容電壓

3.2濾波器因電容電壓過高損壞

濾波器斷開后,電抗器上電流通過濾波器的內部連線向電容支路流通,給濾波器電容支路充電,在很短的充電時間內,濾波器的輸出端電壓升高至800V。

根據圖4電容器端電壓波形,濾波器內部器件電容器電壓升高至800V或更高,存在一定的過壓風險。

圖4電容器端電壓波形

3.3電網電壓波動對其他設備造成影響

電網電壓的波動跟電網的線路阻抗、變壓器容量以及網絡容量有關系,仿真得到濾波器投入電網時對電網電壓波動的影響如圖5所示。

圖5電網電壓波形

經理論和仿真分析得知投切濾波器組的方法不可行。經綜合分析,采用電容器組合理分配容量方式。

4結語

為有效解決海上平臺無功過補償和諧波抑制的無源濾波器設計及控制問題,兼顧變頻器負荷運行特性進行無源濾波支路無功補償容量分配,以補償容量滿足系統功率因數要求且操作過程中不產生諧波放大、功率因數不超出合格范圍為原則,提出一種基于濾波支路負載率的無源濾波器無功補償容量分配及投切控制方法,介紹了該方法的基本設計原理、投切控制方式,并對串聯無源濾波器分組投入風險進行了分析。