無(wú)源諧波濾波器分檔投切控制方式研究

引言

隨著海上平臺(tái)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(duì)平臺(tái)電網(wǎng)的污染也越來(lái)越明顯?，F(xiàn)在海上平臺(tái)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(tái)供電系統(tǒng)采用自主發(fā)電或者由中心平臺(tái)供電方式,海上平臺(tái)供電系統(tǒng)容量相對(duì)于一般陸地工業(yè)用電來(lái)說(shuō)屬于小電網(wǎng),且一般潛油電泵負(fù)載占平臺(tái)總負(fù)載的40%～60%。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中大多數(shù)變頻系統(tǒng)配置無(wú)源濾波器作為諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償方式。但由于變頻器和無(wú)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(wú)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(wú)對(duì)應(yīng)功率的無(wú)源濾波器可選,故只能放大一檔選用,也使得無(wú)源濾波器容量偏大、負(fù)載偏小。當(dāng)平臺(tái)變頻器臺(tái)數(shù)較多時(shí),由于無(wú)源濾波器有無(wú)功補(bǔ)償作用,最終就會(huì)導(dǎo)致海上平臺(tái)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象,造成平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的不穩(wěn)定。

無(wú)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(guò)電壓和過(guò)電流為依據(jù)。為有效解決無(wú)源濾波和無(wú)功過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題,需進(jìn)行濾波支路無(wú)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(duì)上述問(wèn)題,提出一種基于濾波支路負(fù)載率的無(wú)源濾波器無(wú)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(wú)源濾波器不能隨著無(wú)功負(fù)荷變動(dòng)隨時(shí)調(diào)整補(bǔ)償容量,會(huì)出現(xiàn)低負(fù)荷時(shí)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象,造成海上平臺(tái)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的不穩(wěn)定,對(duì)平臺(tái)用電設(shè)備安全運(yùn)行危害很大。為使無(wú)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(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象。由于無(wú)功負(fù)荷變動(dòng)幅度較大,頻繁投切會(huì)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(duì)濾波電容器分組優(yōu)化設(shè)計(jì),可在一定程度上避免無(wú)功過(guò)補(bǔ)。這種方式簡(jiǎn)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(wú)功過(guò)補(bǔ)的問(wèn)題。

電流控制二次原理圖如圖1所示。

2.2無(wú)功補(bǔ)償控制方式

可采用直接無(wú)功功率控制,根據(jù)負(fù)載無(wú)功功率的變化,投切濾波電容器組,使之和負(fù)載無(wú)功功率相平衡,按檢測(cè)的無(wú)功功率給出信號(hào),將無(wú)功功率控制在較小的范圍。采用該方法,可保證不會(huì)出現(xiàn)無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)的問(wèn)題。

無(wú)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(cè)裝置檢測(cè)負(fù)荷的功率因數(shù),通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理和執(zhí)行元件,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)源濾波器分組投入風(fēng)險(xiǎn)分析

在此針對(duì)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(wú)源濾波器存在風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)原因?yàn)?串聯(lián)無(wú)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(wú)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(wú)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(huì)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(duì)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(tái)濾波器,一次為投入濾波器,分析可知采用串聯(lián)的無(wú)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(guò)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(guò)高損壞

濾波器斷開后,電抗器上電流通過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(yǔ)

為有效解決海上平臺(tái)無(wú)功過(guò)補(bǔ)償和諧波抑制的無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)及控制問(wèn)題,兼顧變頻器負(fù)荷運(yùn)行特性進(jìn)行無(wú)源濾波支路無(wú)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(guò)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(wú)源濾波器無(wú)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(duì)串聯(lián)無(wú)源濾波器分組投入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。