远程油井谐波控制: 以 12 脉冲成本获得优于 18 脉冲的性能 — Mirus International
| 位置 | 西蒙内特井场, 远北艾伯塔省 |
| 客户 | 雪佛龙加拿大公司 |
| 应用 | 潜水泵驱动器 — 远程, 无人油井 |
| 服务变压器 | 200 千伏安 |
| 驱动器 | 150 千伏安, 480 V型可调速驱动 |
| 发动机 | 150 HP |
| 负载配置 | 驱动器是 仅有的 变压器上的负载 |
| 谐波滤波器 | Mirus Lineator AUHF 150 HP |
| 表现 | 优于 18 脉冲; 9% 比 12 脉冲驱动选项便宜 |
01 操作环境: 艾伯塔省北部的无人远程井场
雪佛龙在远程操作潜水泵电机上的可调速驱动器, 艾伯塔省北部的无人油井. 这些站点共享共同的电气架构: 单个服务变压器为单个 VSD 供电, 控制单个潜水泵电机. 变压器上没有其他负载. 这些站点完全无人值守——定期访问进行维护, 其余时间远程监控.[1]
这种配置产生了两个截然不同的需求，它们的方向相反. 变压器上的单驱动拓扑是最坏的谐波情况 - 驱动器是唯一的负载, 因此没有线性负载电流来稀释谐波含量, 从变压器汲取的电流本质上是 6 脉冲整流器的原始谐波频谱. 同时, 该现场的无人值守和偏远性质需要最大程度的可靠性——导致驱动跳闸或通信系统故障的谐波问题意味着一口井停止生产, 现场无人回应.
雪佛龙的工程团队采取了积极主动的行动, 预防方法: 而不是等待谐波问题在井场显现, 他们制定了所有低压谐波抑制的标准规范, 单驱井场最多 1,000 HP. 西蒙内特井场代表了该标准的应用.[1]
无花果. 1. 雪佛龙的西蒙内特井场, 远北艾伯塔省. “ 200 kVA 服务变压器和 150 HP VSD 外壳可见. 单驱动, 无人, 偏僻的. 源: 米鲁斯国际 / 雪佛龙.[1]
02 单驱动器问题: 未稀释的谐波
2.1 为什么这种拓扑结构特别敏感
6 脉冲 VSD 以特征脉冲形式汲取电流 — 熟悉的每半周期双峰波形，主要包含第 5 个脉冲, 7日, 11日, 和 13 次谐波分量. 在具有许多负载的大型工业总线上, 这些谐波与电机的基频电流混合, 采光, 和其他线性负载, 并且总线上产生的 THDi 低于任何单个驱动器单独产生的 THDi.
在西蒙内特井场, 这种稀释不存在. 变压器次级仅向 VSD 供电. 变压器初级仅看到失真的 VSD 电流. 变压器次级上的电压失真（也是驱动控制电子设备和现场任何通信设备的电源电压）通过变压器阻抗反映了 6 脉冲整流器的全部谐波含量.[1]
2.2 通信系统漏洞
远程井场依靠 SCADA 和遥测系统进行监测和控制. 这些系统共享现场电源. 电压畸变和高频谐波含量会干扰SCADA设备的采样和通信电路, 造成错误读数, 通讯中断, 或设备死机. 在无人值守应用中, 通信故障意味着无法了解油井生产——由于现场没有人员来诊断或重置系统，因此会产生直接的财务后果.[1]
无花果. 2. Simonette 井场的电流波形. 左边: 安装 Lineator 之前的驱动输入 — 特征 6 脉冲失真. 中心: 安装 Lineator 后的测量结果 — 接近正弦曲线. 正确的: 根据仿真预测的 Lineator 输入波形. 图 1 和 2 由雪佛龙提供.[1]
03 多脉冲驱动器与. 线性器: 技术比较
雪佛龙的电气工程师是多脉冲驱动技术的经验丰富的用户. 选择直线发生器之前, 针对该应用，他们专门针对 Lineator AUHF 评估了 12 脉冲和 18 脉冲驱动选项. 比较是有启发性的.[1]
3.1 多脉冲驱动器的工作原理
12 脉冲驱动器使用具有两个次级绕组（一个星形和一个三角形）的移相变压器，为两个并联的 6 脉冲整流桥供电. 绕组之间的 30° 相移导致来自两个电桥的 5 次和 7 次谐波电流在变压器初级中抵消, 留下 11 和 13 为主要谐波. 18 脉冲驱动器将此扩展到三个相移次级绕组，为三个桥供电, 消除 13 次谐波并保留 17 次和 19 次谐波.[2]
与标准 6 脉冲驱动器相比，两种方法均可大幅降低 THDi. 但它们具有特定的成本和限制，这给 Simonette 应用带来了问题.
3.2 比较
| 标准 | 12-脉冲驱动 | 18-脉冲驱动 | AUHF线性器 |
|---|---|---|---|
| 谐波性能 | 好 — 取消 5 号 & 7日 | 更好 — 13 日之前取消 | 优于 18 脉冲 (测量的) |
| 资本成本 vs. 12-脉冲 | 基线 | 更高 | 9% 小于 12 脉冲 |
| 需要工厂测试 | 是的——相移 & 负载共享 | 是的——更复杂 | 不 |
| 安装复杂性 | 缓和 | 更高 | 即插即用 |
| 推动供应商认可 | 标准产品 | 可用的 | 经过充分测试 & 受到推崇的 |
| 性能对负载的敏感性 | 轻负载时性能下降 | 轻负载时性能下降 | 在整个负载范围内保持稳健 |
在这方面，驱动器供应商的认可很重要. 雪佛龙并未评估未知产品 - Lineator 已由驱动器制造商测试与其特定驱动器平台的兼容性. 这消除了第三方谐波滤波器可能带来的集成风险，是选择的决定性因素.[1]
04 结果: 性能符合预期, 成本低于替代方案
Lineator AUHF 安装在 Simonette 井场 150 HP, 480 V驱动. 测量的电流波形证实了仿真预测: 驱动器输入电流波形从特征失真的 6 脉冲模式转变为接近正弦形状.[1]
测得的谐波性能超过了 18 脉冲驱动规格——Chevron 之前使用的最苛刻的多脉冲标准. 这是通过资本成本实现的 9% 低于 12 脉冲驱动器配置, 安装更简单 (无需工厂预测试) 以及驱动器供应商的完全兼容性确认.
成本效益: 比 18 脉冲更好的谐波性能，比 12 脉冲更低的成本. 无工厂测试费用. 即插即用安装. 标准解决方案可部署到所有单驱动井场 1,000 HP.
05 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
5.1 变压器单驱动场景 — 常见的现场条件
偏远井场, 灌溉泵站, 小型水处理设施, 和类似的单负载装置与 Simonette 具有相同的电气拓扑: 一台变压器, 一台室间隔缺损, 无其他负载. 这种拓扑出现在整个农村基础设施中，只要泵或压缩机是远程站点的唯一电力负载.
从实用的角度来看, 这些单驱动器安装是等待发展的 PQ 问题. 变压器持续出现高 THDi, 运行很热, 并且衰老得更快. 如果变压器为任何公用事业侧测量设备供电, 通讯继电器, 或收入计量, 谐波失真影响其准确性和可靠性. 雪佛龙的主动方法——所有单驱井场的标准谐波缓解——是正确的工程响应，并且与故障发生后的被动缓解相比，生命周期成本更低.
5.2 多脉冲驱动器——什么时候有意义，什么时候不有意义
多脉冲驱动 (12-脉冲和18脉冲) 当应用证明其成本和复杂性合理时，是有效的谐波抑制. 它们对于大型企业来说最有意义, 高利用率驱动器，其中移相变压器仅占系统总成本的一小部分, 负载相对恒定的地方 (避免轻载性能下降), 谐波消除可以在发货前通过工厂测试来验证.
它们不太适合小型驱动器 (变压器成本占驱动成本的很大一部分), 可变负载应用, 以及重视现场安装简单性的情况. 西蒙内特井场未能满足多脉冲小驱动的所有三个条件, 可变泵负载, 远程无人安装，维护简单. 技术对比直接得出正确结论.
5.3 预防性 vs. 无功谐波管理
雪佛龙决定在问题发生之前将谐波缓解指定为所有单驱井场的标准要求，作为一种管理方法值得注意, 不仅仅是工程方面的. 安装谐波滤波器的成本远远低于事后诊断和解决谐波问题的成本: 更换变压器, 驱动器维修, SCADA系统故障排除, 以及计划外停机期间的生产损失. 当单点, 高阻抗拓扑使谐波结果从第一天起就可预测.
本案例研究是 IPQDF Mirus International 案例研究系列的总结. 综合起来 — ESP 电机保护, 管道发电机调整规模, 近海船舶 DP 合规性, 天然气处理厂 MCC 缓解措施, 和远程井场谐波控制 - 它们涵盖了石油和天然气领域遇到的发电机供电和供应受限谐波应用的主要类别, 海洋, 和流程工业. 共同点是高源阻抗，它会放大谐波后果，超出公用事业工程师通常遇到的情况, 无源广谱滤波器可以解决该问题，而不会增加有源或多脉冲解决方案的复杂性和故障模式.
参考文献
- [1] 米鲁斯国际公司, “案例研究: 雪佛龙的西蒙内特井场,” 应用案例研究, 米西索加, Ontario, 加拿大. 可用的: mirusinternational.com
- [2] IEEE StD里 519-2022, “电力系统谐波控制 IEEE 标准,” IEEE, 纽约, 纽约, 2022.