油田电网的谐波治理

油田生产设备中存在大量冲击性和波动性负荷，它们在运行中产生高次谐波，常会使电压波动、闪变，甚至导致三相不平衡。随着电力电子技术的广泛应用与发展，调速变频器在各种机泵运行中得到了广泛应用，在降低能耗的同时导致了电压波形畸变，产生了大量谐波，造成电网二次污染。在削弱和干扰电网经济运行的同时，常发生设备非正常启停,使设备自身安全性降低，电力计量仪表的误差增大。通过谐波治理，可以保证电力设备安全经济运行。
1 油田配电网谐波污染现状
通过对80 座变电所母线（6 kV）进行谐波测试了解到油田配电网谐波污染的现状如下:
(1)有78 座谐波电流及电压均在国标限值之内，主导谐波为5次、7次，超标率为2.5%。这与高压侧变压器短路容量大，而且变电所距离谐波源距离比较远，与谐波的衰减有关。
(2)共测试218条馈出线，有13条馈出线谐波电流超国标限值,超标率6%。这些馈出线谐波电流超标的主要原因在于这些馈出线所带低压负荷安装了换流设备（变频器为主）。
(3)安装了低压变频装置测试点的谐波电流或电压超标问题比较突出。
　 所测试的36台变频器中有27台谐波数据超标，超标率达到75%。杏北二十四变电所周边地区测试的7座注入站，谐波数据全部超标，其中1#注入站4 次谐波电流超标55%(国标限值39 A,测试值60.34 A)，2#注入站电压总谐波畸变率超标56%(国标限值5%,测试值7.8%)。
2 谐波治理技术
油田目前的谐波抑制措施主要包括主动治理及被动治理，此处研究的谐波治理配套方案属于被动治理范围。通过对系统中已经存在的谐波进行治理，使电网受到的影响减到最小。
2.1无源滤波
2.1.1无源滤波原理
无源滤波器利用电路的谐振原理。当发生对某次谐波的谐振时，对该次谐波形成低阻通路，对相应频率谐波电流进行分流，达到滤波的目的。结构上利用电感、电容和电阻的组合设计构成滤波电路，可滤除某一次或多次谐波。最普通且易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联[1]。
　　无源滤波器的设计主要考虑其谐振频率及电容器耐压、电抗器耐流。首先根据系统所需补偿容量确定电容器容量，这样可以得知电容器阻抗，再根据系统谐波情况确定谐振频率，如为5次谐波，一般谐振频率在240~248之间，由谐振频率可得知电抗器的感抗值。电容器耐压应考虑基波电压、电抗器的压升、谐波电压；电抗器耐流需考虑基波电流、谐波电流。
2.1.2无源滤波优缺点
　 由于无源滤波器结构简单，成本较低，运行费用低，吸收高次谐波效果明显，在油田生产中得到广泛应用。根据谐波治理有关要求，每台变频器自身须有谐波处理装置，生产厂家为降低成本，大都使用LC单调谐滤波器。
　 无源滤波器在油田中使用的谐波治理效果并不好，经常处于关停状态。其主要原因在于：
　 (1)抑制低次谐波的单调谐波滤波器只对调谐点的谐波治理效果明显，对偏离调谐点的谐波无效果；
　 (2)当油田根据生产调整运行负荷，新增或减少运行设备时，系统阻抗和频率产生波动，无源滤波器可能与系统发生并联谐振，使装置无法正常运行；
　 (3)当系统运行负荷增大时,系统谐波电流随之增大,无源滤波器可能过载，导致损坏。
　 由于无源滤波器原理上带来的不足无法彻底克服，因此有必要尝试采用其他方式抑制谐波。
2.2有源滤波
2.2.1有源滤波原理
有源滤波器实际上是一个谐波发生器，它通过实时检测电网上的负载产生的谐波电流,由IGBT逆变器生成一个与负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入到电网，从而抵消负载谐波，防止谐波电流流入配电系统造成污染，进而保证流向系统的电流是一个理想的交流正弦波形[2]。
有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路检测出补偿对象电流中的谐波电流分量。补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。补偿电流与负载电流中的谐波及无功电流进行抵消，最终得到期望的正弦电网电流。
2.2.2有源电力滤波器的控制

由有源电力滤波器的基本原理可知，实现有源电力滤波器功能的关键首先在于实时准确地检测出负载中的谐波电流，其次是补偿电流的产生和跟踪。所以有源电力滤波器控制的核心是谐波检测和电流跟踪。
谐波和无功电流的检测主要采用瞬时无功功率理论检测方法，此方法能够更有效地协调好谐波电流检测的实时性和检测精度之间的矛盾，是目前应用较为广泛的方法。
产生补偿电流的控制方法以滞环比较控制法为主，它兼有响应速度快、开关频率不高以及控制简单的特点，从而被广泛应用。
2.2.3有源滤波优缺点
实际应用中，有源滤波器谐波治理效果明显，能有效抑制系统各次谐波。当系统阻抗和频率发生波动时，不会产生谐振现象而影响补偿效果。不存在过载问题，当系统谐波电流增大时，装置仍可运行。其主要问题是结构复杂、成本高，但由于需要额外电源，运行损耗大。
2.3 磁性滤波器
磁性滤波技术是根据软磁材料的特性，在三相品字形磁路对称结构中，通过绕组和移相连接形成特定的磁路，根据电磁转换原理将谐波电能转换为磁能的利用磁场滤波的新技术。当谐波电流经过磁性滤波器时，谐波电流产生的磁场在磁性滤波器特殊品字型磁路结构中被分解为方向相反的磁通，相互抵消，达到消除谐波的目的。
2.3.1磁性滤波优点
磁性滤波器是无源类产品，本身耗能极低，不存在电容器补偿，不涉及过补问题，可把谐波消除在没有做功之前，属于预防式谐波治理方法。在改善电压、电流波形的同时提高功率因数、抑制浪涌和改善三相不平衡。
2.3.2 磁性滤波器应用
　 对萨北油田16-1注入站3#注入泵进行进行磁性滤波器应用试验，磁性滤波器串联在变频器入线处，变频器运行频率为39 Hz，试验数据如表1所示。

从表1看出：
(1)原变频器配电回路电压总畸变率在5.8%，超出了国家标准规范。治理后，变频器配电回路电压总畸变率降到1.73%；
(2)变频器配电回路5次谐波滤除率为71.27%， 7次谐波滤除率为87.56%；
(3)变频器配电回路的功率因数由0.68提到0.91；

(4)变频器配电回路总有效电流值降低了25.21%。
随着油田电网谐波危害的日益加大，采取正确技术与措施对电力谐波进行治理越来越重要。磁性滤波器治理谐波效果显著，在消除谐波、改善电压和电流波形的同时净化了配电系统的电能质量，提高了线路功率因数；在提高电能质量同时降低能耗，在治理电力谐波问题上具有很好的发展前景。
参考文献
[1] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]. 北京：中国电力出版社,2006.
[2] 李华.电力有源滤波器发展现状及应用[J].自动化与仪器仪表,2004(5):1-5.
[3] 国家技术监督局. GB/14549-93电能质量公用电网谐波[S]. 北京：中国标准出版社，1994.