引言
隨著海上平臺潛油電泵地面變頻控制系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用,變頻器諧波對平臺電網(wǎng)的污染也越來越明顯。現(xiàn)在海上平臺在大量應(yīng)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(tǒng)采用自主發(fā)電或者由中心平臺供電方式,海上平臺供電系統(tǒng)容量相對于一般陸地工業(yè)用電來說屬于小電網(wǎng),且一般潛油電泵負載占平臺總負載的40%～60%。
在現(xiàn)場應(yīng)用中大多數(shù)變頻系統(tǒng)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(chǎn)周期內(nèi)的最大負載選型,變頻器和無源濾波器在大多數(shù)工作情況下負載率較低。另外,當(dāng)選擇的變頻器功率較小時,由于無對應(yīng)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(dāng)平臺變頻器臺數(shù)較多時,由于無源濾波器有無功補償作用,最終就會導(dǎo)致海上平臺出現(xiàn)過補現(xiàn)象,造成平臺發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的不穩(wěn)定。
無源濾波器的設(shè)計一般以安裝容量、電容補償容量、系統(tǒng)諧波電壓和電流畸變率、電容過電壓和過電流為依據(jù)。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(shè)計原理
普通無源濾波器不能隨著無功負荷變動隨時調(diào)整補償容量,會出現(xiàn)低負荷時過補償現(xiàn)象,造成海上平臺發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的不穩(wěn)定,對平臺用電設(shè)備安全運行危害很大。為使無功得到合理的補償,需要根據(jù)電網(wǎng)的負載變化,實時投入或切除濾波電容器組,調(diào)整補償容量獲得功率因數(shù)最佳值,消除低負荷過補償現(xiàn)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(shù)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(jù)功率因數(shù)變化,自動投入或切除電容器組。現(xiàn)介紹以下幾種自動控制方式。
2.1電流控制方式
根據(jù)負載電流的大小變化,適時投切濾波電容器,將功率因數(shù)基本保持在一定的水平。采用電流控制,須考慮系統(tǒng)運行各工況,對濾波電容器分組優(yōu)化設(shè)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(shù)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(jù)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(xiàn)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(shù)控制方式
利用監(jiān)測裝置檢測負荷的功率因數(shù),通過檢測數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行元件,實現(xiàn)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(fù)雜、投資較高等缺點。
3串聯(lián)無源濾波器分組投入風(fēng)險分析
在此針對是否可串聯(lián)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(fēng)險的本質(zhì)原因為:串聯(lián)無源濾波器由電抗器和電容器組成,根據(jù)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(lián)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(yīng)的元器件上產(chǎn)生高電壓。
基于以上分析,采用相關(guān)軟件對可能產(chǎn)生的風(fēng)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(lián)的無源濾波器分組投入存在以下風(fēng)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(cè)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(nèi),濾波器向變頻器直流母線電容器進行充電,根據(jù)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(cè)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(nèi)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(nèi),濾波器的輸出端電壓升高至800V。
根據(jù)圖4電容器端電壓波形,濾波器內(nèi)部器件電容器電壓升高至800V或更高,存在一定的過壓風(fēng)險。
圖4電容器端電壓波形
3.3電網(wǎng)電壓波動對其他設(shè)備造成影響
電網(wǎng)電壓的波動跟電網(wǎng)的線路阻抗、變壓器容量以及網(wǎng)絡(luò)容量有關(guān)系,仿真得到濾波器投入電網(wǎng)時對電網(wǎng)電壓波動的影響如圖5所示。
圖5電網(wǎng)電壓波形
經(jīng)理論和仿真分析得知投切濾波器組的方法不可行。經(jīng)綜合分析,采用電容器組合理分配容量方式。
4結(jié)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(shè)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(tǒng)功率因數(shù)要求且操作過程中不產(chǎn)生諧波放大、功率因數(shù)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(shè)計原理、投切控制方式,并對串聯(lián)無源濾波器分組投入風(fēng)險進行了分析。
