无源谐波滤波器分档投切控制方式研究

引言

随着海上平台潜油电泵地面变频控制系统大规模应用,变频器谐波对平台电网的污染也越来越明显。现在海上平台在大量应用变频器的情况下均要求配置谐波吸收或者滤波装置。海上平台供电系统采用自主发电或者由中心平台供电方式,海上平台供电系统容量相对于一般陆地工业用电来说属于小电网,且一般潜油电泵负载占平台总负载的40%～60%。

在现场应用中大多数变频系统配置无源滤波器作为谐波治理和无功补偿方式。但由于变频器和无源滤波器一般是按照该井整个生产周期内的最大负载选型,变频器和无源滤波器在大多数工作情况下负载率较低。另外,当选择的变频器功率较小时,由于无对应功率的无源滤波器可选,故只能放大一档选用,也使得无源滤波器容量偏大、负载偏小。当平台变频器台数较多时,由于无源滤波器有无功补偿作用,最终就会导致海上平台出现过补现象,造成平台发电系统和电网的不稳定。

无源滤波器的设计一般以安装容量、电容补偿容量、系统谐波电压和电流畸变率、电容过电压和过电流为依据。为有效解决无源滤波和无功过补偿问题,需进行滤波支路无功补偿容量分配,合理进行支路组合和投切操作,以提高工作性能和运行操作效率。针对上述问题,提出一种基于滤波支路负载率的无源滤波器无功补偿容量分配及投切控制方法。

1分档投切滤波器的基本设计原理

普通无源滤波器不能随着无功负荷变动随时调整补偿容量,会出现低负荷时过补偿现象,造成海上平台发电系统和电网的不稳定,对平台用电设备安全运行危害很大。为使无功得到合理的补偿,需要根据电网的负载变化,实时投入或切除滤波电容器组,调整补偿容量获得功率因数最佳值,消除低负荷过补偿现象。由于无功负荷变动幅度较大,频繁投切会使电容器磨损增加,电容器分组组数不宜太多,为了方便维护和互相备用,这里我们采用三组滤波支路。

2投切控制方式

正常运行时,采用手动和自动方式控制滤波支路的投切,采用自动装置控制,根据功率因数变化,自动投入或切除电容器组。现介绍以下几种自动控制方式。

2.1电流控制方式

根据负载电流的大小变化,适时投切滤波电容器,将功率因数基本保持在一定的水平。采用电流控制,须考虑系统运行各工况,对滤波电容器分组优化设计,可在一定程度上避免无功过补。这种方式简单,控制效果也很好,但在一些工况下,如果负载较重、电流较大,可能功率因数较高,而电容器投入较多,可能存在较小的无功过补的问题。

电流控制二次原理图如图1所示。

2.2无功补偿控制方式

可采用直接无功功率控制,根据负载无功功率的变化,投切滤波电容器组,使之和负载无功功率相平衡,按检测的无功功率给出信号,将无功功率控制在较小的范围。采用该方法,可保证不会出现无功功率过补的问题。

无功控制二次原理图如图2所示。

2.3功率因数控制方式

利用监测装置检测负荷的功率因数,通过检测数据的处理和执行元件,实现对电容器组的投切,维持功率处于最佳值,多用于低压380v。

该控制方式存在元件较为复杂、投资较高等缺点。

3串联无源滤波器分组投入风险分析

在此针对是否可串联滤波器模块分组投切进行分析论证。分组投入单个无源滤波器存在风险的本质原因为:串联无源滤波器由电抗器和电容器组成,根据电路基本定律电抗器上的电流不能突变,电容器上电压不能突变,在切除串联无源滤波器时,电抗器上电流只有3个通路可以流通:电源、变频器以及无源滤波器本身的电容支路。电抗器上电流流通这3个通路会在相应的元器件上产生高电压。

基于以上分析,采用相关软件对可能产生的风险进行了仿真模拟,仿真中采用200kVA变压器带变频器拖动20kw电机,仿真了1s和1.05s的两次动作,一次为切除一台滤波器,一次为投入滤波器,分析可知采用串联的无源滤波器分组投入存在以下风险。

3.1变频器直流电容器因电压过高损坏

仿真变频器中直流侧电容电压如图3所示,正常运行时400VAC母线电压为560V,滤波器投入的很短时间内,滤波器向变频器直流母线电容器进行充电,根据图3变频器直流母线电压可能达到800V,该情况可能损坏直流侧电解电容器。

图3变频器直流电容电压

3.2滤波器因电容电压过高损坏

滤波器断开后,电抗器上电流通过滤波器的内部连线向电容支路流通,给滤波器电容支路充电,在很短的充电时间内,滤波器的输出端电压升高至800V。

根据图4电容器端电压波形,滤波器内部器件电容器电压升高至800V或更高,存在一定的过压风险。

图4电容器端电压波形

3.3电网电压波动对其他设备造成影响

电网电压的波动跟电网的线路阻抗、变压器容量以及网络容量有关系,仿真得到滤波器投入电网时对电网电压波动的影响如图5所示。

图5电网电压波形

经理论和仿真分析得知投切滤波器组的方法不可行。经综合分析,采用电容器组合理分配容量方式。

4结语

为有效解决海上平台无功过补偿和谐波抑制的无源滤波器设计及控制问题,兼顾变频器负荷运行特性进行无源滤波支路无功补偿容量分配,以补偿容量满足系统功率因数要求且操作过程中不产生谐波放大、功率因数不超出合格范围为原则,提出一种基于滤波支路负载率的无源滤波器无功补偿容量分配及投切控制方法,介绍了该方法的基本设计原理、投切控制方式,并对串联无源滤波器分组投入风险进行了分析。