油田注水站电能质量研究

油田注水站电能质量研究 油田注水站电能质量研究 检测与仪表化工自动化及仪表,2010,37(1):53—55ControlandInstrumentsinChemicalIndustry 油田注水站电能质量研究 吕康飞,国芳,石超越,孔政 (1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008; 2.中国石化股份有限公司江苏油田分公司,江苏金湖211600) 摘要:为解决无功补偿装置电容频繁损坏的问题,在对某注水站电网进行电能质量测试的基础上,结合该 站电网结构对测试数据进行分析发现存在电网谐波超标,功率因数低的问题,分析了电能质量产生的原因,影响 及治理方法. :电能质量关键词;变频器;无功补偿 中图分类号:U242.3文献标识码:A文章编号:1000-3932(2010)0143053-03 1引言 随着变频器在油田注水系统中的广泛使用,其 在解决传统的注水压力变化大,单耗高,效率低的问 题的同时,也带来了电网中谐波含量的增大.大量 谐波的存在使供电系统工作的可靠性与安全性受到 了威胁.因此,研究谐波对注水站供电系统的干扰, 破坏机理,并在此基础上研究有效的解决方法,显得 尤为重要.本文结合江苏油田一注水站的实际测量 结果进行研究,给出解决方法及治理后的经济效益 分析. 2谐波发生机理 电力系统谐波产生的原因很多,结合油田电网 负荷分布分析,主要有两个方面…: (1)铁磁回路的影响.对于电机,变压器等有 电磁能量转化的设备,当铁芯饱和或磁通密度沿电 机气隙为非正弦分布时,按傅里叶级数进行分解,在 定子绕组中除了感应基波电势外,还会产生奇次谐 波电势,但在电机制造过程中通过改善磁场分布,改 变三相绕组连接方式以及采用短距,分布绕组等措 施,已将三倍次谐波和高次谐波的影响大幅度削弱, 因此,电机的电压和电流中一般只含6k4-1(k为整 数)次谐波. (2)非线性负荷的影响.随着大量变频器,UPS 不间断电源,直流电驱动系统等新型节能技术和设 备的使用,它们以脉动,断续的方式从电网中吸收能 量,而这种脉动电压,电流叠加在系统电压,电流上, 导致系统电压,电流波形发生畸变. 3注水站实测数据 该注水站电网结构如图1所示.进线电压经降 压变压器降为380V向三台注水泵供电.三台注水 泵均采用变频器进行调速,并在380V母线上装有 无功补偿装置. 图1注水站电网结构 表1为各次谐波实测结果与国家标准值对照 表,其中折算允许值按式(1)计算: 式中:|s——公共连接点的最小短路容量,MVA; S——基准短路容量,MVA;——基准短路容量 下第n次谐波电流允许值;,n——最小短路容量下 第n次谐波电流允许值. 表1实际测量值与国家标准对照表 图2,图3分别为各次谐波电流柱状图及谐波 电流流向柱状图,从表1,图2,图3可以看出5,7,11 次谐波均超出国家标准,其流向稳定均为上网谐波, 即谐波为非线性负荷产生的. 收稿日期:2009—12-24(修改稿) ? 54?化工自动化及仪表第37卷 图2各次谐波电流柱状图 图3各次谐波电流流向柱状图 4谐波对该注水站设备的影响及原因分析 4.1谐波对无功补偿装置的影响 在装设变频器之前为了提高功率因数减少线路 损耗,在380V母线上装设无功补偿装置一套,功率 因数达到0.95,效果明显.装设变频器后,无功补 偿装置先是噪音加大,最后投切器损坏,电容击穿, 退出运行. 造成无功补偿装置损坏的原因主要有两方面: (1)谐波电流叠加在电容器的基波电流上,使 电容器电流有效值增大,温升增高,引起过热而降低 电容器的使用寿命或使电容器损坏. (2)电容器将谐波电流放大,即并联电容器与 系统阻抗发生并联谐振,导致谐波电流被放大,其不 仅危害电容器本身,而且会危及电网中的电气设备, 严重时会造成损坏,甚至破坏电网的正常运行. 4.2谐波对注水泵电机的影响 变频器投入运行后水泵电机的温度升高并伴有 脉动现象出现.分析原因,温度升高是由于异步电 动机中的绝大多数转子用硅钢片叠加而成,由笼型 绕组承载感应电流.这种笼型异步电动机只有定子 存在绝缘,因而成为对谐波损耗发热较为敏感的薄 弱环节.出现脉动主要是由于谐波中的5,7谐波磁 场与基波磁场作用产生6倍转子基波电流频率的脉 动转矩,11,13次谐波电流磁场与基波磁场作用产 生l2倍转子基波电流频率的脉动转矩. 5治理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 研究 5.1无源滤波 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用无源滤 波器Fc.其主要有电容器+电抗器+电阻器(可 选)组成.按功能可分为纯补偿(非调谐),补偿+ 滤波(调谐)两大类,如图4,图5所示. 其滤波原理是采用电力电容器串联适当比例的 电抗器,形成针对某一特定频率的低阻抗滤波回路, 吸收特定频率的谐波电流,补偿基波无功功率.适 用于无功功率大,功率因数低,无功变化不频繁,具 有典型特征谐波(5,7,11,13次)的工业负荷.具有 结构简单,造价低廉,适合大规模应用的优点.但同 时响应时问长,两次投切间隔通常要几秒放电时间, 不能补偿动态无功;补偿容量受到电网电压的限制, 电网电压越低,输出无功越小,而此时恰恰需要向电 网输出无功,以期抬高电网电压水平;只能消除特定 的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用;滤波 要求和无功补偿,调压要求有时难以协调;投切产生 涌流及过电压会对系统造成冲击,补偿精度低. 由于油田电网电压本身过高装设无源滤波装置后容 易造成电压升高,超出电动机的额定电压,过压保护 动作,电动机停止运行.当电网电压过高时投切器 本身亦无法正常投入运行.因此采用无源滤波的方 法治理该注水站谐波不是一种理想的方法. 图4非调谐式无源滤波 囊5次7次11次 图5调谐式无源滤波 5.2有源滤波 有源滤波是目前最先进的滤波方法,它是由大 功率电力电子元件制作而成的变流设备,检测负载 谐波并主动提供对应的与负载谐波电流大小相等, 相位相反的补偿电流.与无源滤波器相比,有源 滤波器具有高度可控制和快速响应特性,并且能跟 踪补偿各次谐波,自动产生所需的变化的无功功率, 其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重 量较小等突出优点,已成为电力谐波抑制和无功补 偿的重要手段.由于该注水站已装设无功补偿设 备,若采用无源滤波易与已装设的无功补偿装置发 生并联谐振.下面采用有源滤波的方法进行分析. (1)治理点的选择. 为了解决谐波对电容器及其他设备的影响,治 理点应采取就地治理的原则如图6所示.在三台变 频器的总进线处装设一台有源滤波器. (2)容量计算. 第1期吕康飞等.油田注水站电能质量研究?55- 总谐波电流为: ,h=455.65+12392.14+…+9.36=114.96A(2) 消除谐波需要提供的容量: S=,3-x0.4kV×114.96=79.64kVAR(3) 为了保证系统在任何情况下都能安全运行,需 要保证用于消除谐波的容量有20%的余量,即为: 79.64x120%=95.57kVAR(4) 图6有源滤波器接线图 6经济效益分析 当有谐波存在时,视在功率Js不仅仅是由有功功 率P和无功功率()恂成的,谐波功率D被定义为: D=S一(Jp2+Q)(5) 它是由同频谐波电压电流产生的.而谐波功率 的物理意义就是谐波网损,所以增大了电网的线损, 对电网的经济运行不利.谐波功率除了对供热用的 电热外,无任何效益,只是以发热的形式在传输过程 中各环节及用电设备中消耗掉.因此其具有无功功 率的性质.从而可以把谐波电流的存在看作是无 功功率的增加,它的存在会增加线路和变压器的铜 损耗,并使电网的功率因数降低. 总谐波电流为: ,h:=117.99A(6) 其所对应的无功功率为: Q=×0.38×117.99=77.66kVAR(7) 根据配电网无功功率经济当量计量方法中无功 当量的计算方法可知,用户每需求lkVAR的无功 功率,对应于系统侧有功功率损耗为0.09kW,即 9%左右的电能损耗发生在输电线路中,因此谐波损 耗约为6.99kW,则每年谐波损耗的电量为: 24h/天×365天/年×6.99kW:6.12×10kWh/年(8) 7结论 分析了注水站谐波产生的机理及其对现场设备 的影响.从提高供电系统安全可靠运行的角度出 发,分析比较了无源滤波与有源滤波的优缺点,给出 了采用有源滤波治理的方案,并进行了仿真分析,结 果表明该方案能取得理想的效果.从节能的角度出 发,计算出了采用有源滤波后,每年可节省的电量. 参考文献: [1]王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿 [M].北京:机械工业出版社,2005:40—41. [2]程浩忠,艾芋,张志刚,等.电能质量概论[M].北京:中国 电力出版社,2008:136—137. [3]KALACHNIKOVS.Three—phaseRectifierforAC—DrivesIncor- poratedwithActivePowerFilter[C]//Proceedingsofthe8th InternationalPowerElectronicsandMotionConference.Prague, CzechRepublic,1998:2125—2130. [4]FERNANDOJ,ORLANDIE,PAISM.SlidingModeControlof UnityPowerFactorThreePhaseBoostConverters[C]//Pro— eeedingsofthe8thInternationalPowerElectronicsandMotion Conference.Prague,CzechRepublic,1998:1125—1130. ResearchofPowerQualityofWater-Injectionin0ilField LVKang—fei,GUOFang.SHIChao.yue.,KONGZheng (1.CollegeofInformationandElectricalEngineeringofCUM,Xuzhou221008,China; 2.JiangsuOil-fieldofChinaPetrochemicalCorporation,Jinhu211600,China) Abstract:Atestonpowerqualityofonewaterinjectionstationwasmadeinordertosolvetheproblemofcapaci— tanceofreactivepowercompensatordamagedfrequently.Combinedwiththegridstructureofthestation,thetestdata wasanalyzed.Theresultshowthatpowerharmoniesisexceedingandpowerfactorislowing.Thecausesofpower quality,effectsandtreatmentmethodswereanalyzed. Keywords:powerquality;lnverters;reactivepowercompensation (上接第52页) Abstract:Someparameterswhichhadmucheffectonproductqualitybutweredifficulttomeasureonline.oftenex. istedinpracticalproduction.Inthiscase,themodelingmethodofmulti-modelsoft-sensingbasedonclusteringwas represented,whichaimedatthemeasurementofthiskindofparameters.Thecorrelationanalysis,principlecomponent analysis(PCA),clusteringalgorithmandmultiplemodelingwereappliedtothemodelandbasicframeworkforim. portantparametersoft— sensingwasbuilt.First,thesecondaryvailableswereselectedbasedoncorrelationanalysis. Secondly.PCAwasintroducedtomakethedimensionofdatareducedfurther.Thenamulti.modelmodelingmethod wasrepresented,combinedwith?meansclusteringalgorithm.Finally,theproposedmethodwassuccessfullyusedto thesoft— sensingmodelingofcompositioninbutadienedistillation.Thesimulationresultsshowthattheoutputpreci. sionisincreasedapprovingly. Keywords:soft?sensing;correlationanalysis;PCA;k-meansclustering;multi-model