ETAP软件在海洋石油平台电力系统谐波分析中的应用

SHIP&BOAT April，2012 2012年4月

0引言

随着电力电子设备的发展，海洋石油平台上越来越多的电气设备开始应用变频器等非线性设备，这些非线性装置产生大量谐波，使电压和电流形成畸变，严重影响了海洋石油平台电源的质量。

基于海洋石油平台谐波问题的日益突出，需要认识海洋石油平台谐波的特点，并结合谐波分析的结果制定出滤波方案。本文首先介绍ETAP软件在谐波程序的主要内容，随后通过南海某油田项目实例，介绍如何采用ETAP对平台的电力系统进行谐波分析计算，并给出计算报告和初步确定滤波方案。1谐波的产生与治理

海洋石油平台谐波污染主要来自变频器，变频器中普遍使用了晶闸管或者整流二极管等非线性整流器件，向电网中注入了大量的高次谐波。变频器谐波的表现形式主要为电流谐波与电压谐波两种方式，其中电流谐波主要取决于负载大小及相关的回路阻抗等，电压谐波取决于回路阻抗与总谐波电流［1］。

谐波的危害十分严重。它能使电气设备过热，产生振动和噪声，使设备绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，对通信设备和电子设备产生严重的干扰。对于电能质量，许多国家和国际组织都制定了谐波的相应标准，如IEEE Std.519-1992中对

［船舶电气］

ETAP软件在海洋石油平台电力系统谐波分析中的应用

张强

（中海油研究总院北京100027）

［摘要］随着电力系统的复杂性和规模的不断扩大，使用电力系统分析仿真软件对系统进行仿真计算已成为电气工程师的主要应用工具。通过对谐波的特点与治理以及ETAP软件的功能特点介绍，结合南海某油田项目实例，讲述如何采用ETAP对系统进行谐波分析，并给出计算结果和初步确定滤波方案。

［关键词］海洋石油平台；ETAP软件；谐波分析；滤波器

［中图分类号］U674.381［文献标志码］A［文章编号］1001-9855（2012）02-0060-05

Application of ETAP software in power system harmonic

analysis for offshore oil platform

ZHANG Qiang

（CNOOC Research Institue，Beijing100027，China）

Abstract：With the complexity and the growing of the scale of power systems，numerical simulation by analyzing and simulation software becomes primary tool for electrical engineers.This paper introduces the characteristics of harmonic wave and its control，and the features of ETAP software.It also explains how to carry out harmonic analysis by ETAP based on a practical oilfield project in South Sea，and provides the numerical results and the preliminary filter scheme.

Keywords：offshore oil platform；ETAP software；harmonic analysis；filter

［收稿日期］2011-11-02；［修回日期］2011-12-08

［作者简介］张强（1979-），男，汉族，工程师，研究方向：海洋平台电力系统设计。

谐波电流允许值作了相关规定：

当I sc /I L ＜20，TDD 限值为5%；当20＜I sc /I L ＜50，

TDD 限值为8%［2］

。其中：I sc 为公共连接点的短路电

流；I L 为公共连接点的负载电流基波分量；TDD 为总需求电流畸变率。

我国国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》中也对电压和电流谐波分量作出了具体规定，如表1和表2所示。

表1

公用电网电压谐波分量限制表

电网标称电压/kV

电压总谐波畸变率/%

各次谐波电压含有率/%奇

次

偶

次

0.38 5.0 4.0 2.06

4.0

3.2

1.6

10

表2

注入公共连接点的谐波电流允许值

谐波次数

0.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.114 6.512610043342134142411118.5167.113 6.1 6.8 5.310 4.79.0 4.3 4.9 3.97.4 3.6 6.810

100

262013208.515 6.4 6.8 5.19.3 4.37.9 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.1

标准电压/kV

基准短路

容量/MVA 2

345678910111213141516171819202122232425

谐波电流允许值/A

针对谐波产生的原理，可以采用下列方法减小谐波：

（1）增大整流回路的脉冲数；

（2）加大电流侧的电抗，对电流谐波进行平波；（3）增加有源或无源滤波器进行滤波；（4）设备选型计算要合理，在满足要求的前提下尽可能减少容量。

考虑使用的经济性，海洋石油平台通常采用无源滤波器来降低平台的谐波水平。

2

使用ETAP 软件进行谐波分析及滤波器选型

2.1ETAP 软件介绍

ETAP 软件是由美国OTI 公司开发的一套全图

形化的电力系统仿真分析、计算应用软件，该软件拥有直观、友好的操作界面以及强大而完善的计算分析功能，适用于核电站、海上石油平台、炼油厂、发电厂等场合的电力系统分析和计算［3］。

该软件集成了包括潮流计算、短路计算、暂态稳定性分析、发电机/电机启动分析、谐波计算、优化潮流计算和继电保护配合在内十余种计算模块，实现了在一个工程内通过模块切换按钮即可完成所有计算，给使用者带来了极大的方便。

ETAP 谐波分析程序遵从IEEE 519标准，包含

谐波潮流计算、频率扫描分析，可对电压与电流的总

有效值（RMS ）、合成峰值（ASUM ）、各次谐波分量及总谐波畸进行计算，并可根据谐波计算的结果进行滤波器的设计及系统的共振检查。

2.2工程应用实例

本文针对南海某油田项目，利用ETAP 软件建

立模型、进行谐波分析，然后根据分析结果利用

ETAP 软件进行滤波器设计，并观察滤波后的效果。

钻采平台DPP 设有3台额定功率为5530kW

的原油发电机组作为平台的主电站，正常运行时为两用一备；同时低压480V 还设有一台1000kW 的天然气发电机与主电站并联运行，为平台上的工艺、公用、钻机以及采油电潜泵等负荷提供电源。整个平台的电力系统如下页图1所示。

2.2.1谐波分析计算

本项目钻采平台DPP 的母线LC 段及LD 段专门用来为电潜泵负荷供电，先期工程中先投入8口井，电潜泵均采用一对一交流变频控制，变频器使用的是施耐德6脉冲的ATV61系列，容量为400kW 及500kW 两种。本实例采用由施耐德提供参数建立的谐波源模型，变频器中各次谐波的百分含量如下页表3所示。

为了使用ETAP 软件进行谐波计算，首先要建立钻采平台的电力系统单线图，将工程中需要使用的元件拖拽到图纸OLV1中，并将各种电气参数进行输入，这些元件包括发电机、母线、开关、电缆、变压器、等效静态负荷、电机、变频器等。平台的用电