海上平台电潜泵专用变频器网侧谐波治理方式分析

引言

海上平台电网是独立电网,容量小,调节能力差,整体电能质量差,电网不稳定。变频器在海上平台电力系统的大量集中应用,产生了严重的电网谐波污染(图1),使电能的生产、传输和利用效率降低,导致电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。限制电力系统的谐波,防止谐波危害,需将电流及电压谐波畸变率指标限制到1EEEstd519和GB/T14549一1993标准范围内。

谐波治理大致分为受端治理和主动治理两种方式。受端治理即提高受谐波影响的设备或系统的抗谐波干扰能力,改善谐波保护特性,主要包括发电机减小谐波电动势畸变率,变压器通过绕组的巧妙连接有效减少某些次数的谐波等:而主动谐波治理则是从源头减少谐波。本文主要讲述主动治理谐波的主要措施。

1选择低谐波整流变频器

从源头上校正整流器的非线性,使网侧谐波达到标准。目前海洋平台上电潜泵专用变频器主要采用的低谐波整流器有PWM整流器和多脉冲整流器。多脉冲整流变频器是通过采用移相变压器增加整流装置的脉冲数。海上平台电潜泵专用多脉冲变频器以18脉冲中压变频器居多。18脉冲二极管整流器由3个并联的6脉冲整流器组成,该结构基本消除了13次及以下谐波,相比6脉整流器具有更好的谐波特性。按照输入谐波标准并对照各种整流电路可得出结论:整流电路脉冲数至少多于18脉冲(包括18脉冲)才能满足输入谐波的标准。缺点是可能增加额外的整流损耗,且需增加输入移相变压器,与6脉冲整流变频器相比成本偏高。

PWM整流变频器,采用脉宽调制技术,整流器用IGBT代替了二极管或半控型功率开关,使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小,波形接近正弦波,能够有效抑制谐波和提高功率因数,使得整个系统输入电流正弦化、接近单位功率因数,而且可以使得能量双向流动、输出直流电压可调且纹波小。优势:谐波含量≤5%,无需额外配置谐波滤波器:结构设计上为对称设计,整流和逆变单元可互换:结构紧凑,节省安装空间。缺点:成本偏高。

2外加谐波滤波装置

通过增加变频器网侧滤波装置,阻碍变频器产生的谐波注入电网。

各种滤波设备连接图如图2所示。变频器标配交流/直流电抗器,有效增加了电源阻抗,减少了谐波。进线电流的谐波畸变率大约降低30%,但THDi仍然可达30%~45%。

(1)变频器一对一配备无源滤波器,消除特定谐波频率。该设备利用谐振原理,通过滤波电路对5次和7次谐波进行调谐。LC滤波器具有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高等优点,但在海上应用有其局限性,易与系统产生共振,可能从其他负载吸引或引入谐波,其低负载下的大量集中应用会导致平台电网功率因数降低,且谐波治理能力有限,满载运行时THDi在10%左右。

(2)分档投切无源滤波器,是一种根据变频器功率情况,动态分档投切的改进优化型LC滤波器。当变频器不满载运行时,可以根据实际运行功率切除部分滤波支路,使得剩下的、仍然并联在进线的滤波支路尽量运行在满载状态。本装置的作用是在保持无源滤波器谐波抑制效果的前提下,尽量降低轻载时所产生的无功功率,提高电网的功率因数。

(3)有源滤波器能补偿变频器所产生的谐波,补偿方式是产生相位相反的谐波成分,其主回路一般由全控型电力电子器件组成三相桥式电路。其应用可以克服LC滤波器等传统谐波抑制方法的缺点,不但能消除网侧谐波,还可改善网侧功率因数,谐波畸变率可降至5%以下,不需要系统分析,不会引起系统谐振和过补偿问题,但相对无源滤波器成本偏高。

主动治理海上平台潜油电泵变频器谐波的措施对比如表1所示。通过对比,可根据实际工况和运营成本择优选择合适的谐波治理措施,从而更加高效、合理地设计电潜泵地面控制系统,提高生产效率。

3结语

海上平台独立电网存在容量小、调节能力差、整体电能质量差、电网不稳定等问题,而变频器会产生严重的电网谐波污染,使电能的生产、传输和利用效率降低,导致电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。为了降低谐波对设备和系统的影响,文章提出了主动治理谐波的主要措施。