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(fù)載占平臺總負(fù)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(bǔ)償方式。但由于變頻器和無源濾波器一般是按照該井整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)的最大負(fù)載選型,變頻器和無源濾波器在大多數(shù)工作情況下負(fù)載率較低。另外,當(dāng)選擇的變頻器功率較小時(shí),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(fù)載偏小。當(dāng)平臺變頻器臺數(shù)較多時(shí),由于無源濾波器有無功補(bǔ)償作用,最終就會導(dǎo)致海上平臺出現(xiàn)過補(bǔ)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(jì)一般以安裝容量、電容補(bǔ)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(bǔ)償問題,需進(jìn)行濾波支路無功補(bǔ)償容量分配,合理進(jìn)行支路組合和投切操作,以提高工作性能和運(yùn)行操作效率。針對上述問題,提出一種基于濾波支路負(fù)載率的無源濾波器無功補(bǔ)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(jì)原理
普通無源濾波器不能隨著無功負(fù)荷變動(dòng)隨時(shí)調(diào)整補(bǔ)償容量,會出現(xiàn)低負(fù)荷時(shí)過補(bǔ)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(yùn)行危害很大。為使無功得到合理的補(bǔ)償,需要根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)載變化,實(shí)時(shí)投入或切除濾波電容器組,調(diào)整補(bǔ)償容量獲得功率因數(shù)最佳值,消除低負(fù)荷過補(bǔ)償現(xiàn)象。由于無功負(fù)荷變動(dòng)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(hù)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(yùn)行時(shí),采用手動(dòng)和自動(dòng)方式控制濾波支路的投切,采用自動(dòng)裝置控制,根據(jù)功率因數(shù)變化,自動(dòng)投入或切除電容器組。現(xiàn)介紹以下幾種自動(dòng)控制方式。
2.1電流控制方式
根據(jù)負(fù)載電流的大小變化,適時(shí)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(yùn)行各工況,對濾波電容器分組優(yōu)化設(shè)計(jì),可在一定程度上避免無功過補(bǔ)。這種方式簡單,控制效果也很好,但在一些工況下,如果負(fù)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(bǔ)的問題。
電流控制二次原理圖如圖1所示。
2.2無功補(bǔ)償控制方式
可采用直接無功功率控制,根據(jù)負(fù)載無功功率的變化,投切濾波電容器組,使之和負(fù)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(bǔ)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(fù)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(shí)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(diǎn)。
3串聯(lián)無源濾波器分組投入風(fēng)險(xiǎn)分析
在此針對是否可串聯(lián)濾波器模塊分組投切進(jìn)行分析論證。分組投入單個(gè)無源濾波器存在風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)原因?yàn)?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(shí),電抗器上電流只有3個(gè)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(gè)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(xiǎn)進(jìn)行了仿真模擬,仿真中采用200kVA變壓器帶變頻器拖動(dòng)20kw電機(jī),仿真了1s和1.05s的兩次動(dòng)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(xiǎn)。
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(yùn)行時(shí)400VAC母線電壓為560V,濾波器投入的很短時(shí)間內(nèi),濾波器向變頻器直流母線電容器進(jìn)行充電,根據(jù)圖3變頻器直流母線電壓可能達(dá)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(shí)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(xiǎn)。
圖4電容器端電壓波形
3.3電網(wǎng)電壓波動(dòng)對其他設(shè)備造成影響
電網(wǎng)電壓的波動(dòng)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(shí)對電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(bǔ)償和諧波抑制的無源濾波器設(shè)計(jì)及控制問題,兼顧變頻器負(fù)荷運(yùn)行特性進(jìn)行無源濾波支路無功補(bǔ)償容量分配,以補(bǔ)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(fù)載率的無源濾波器無功補(bǔ)償容量分配及投切控制方法,介紹了該方法的基本設(shè)計(jì)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(xiǎn)進(jìn)行了分析。
