CN115173417A - 一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，方法对页岩气田配电网各节点进行实时阻抗扫频和频率阻抗比较，若当前节点频率阻抗小于预设频率阻抗，则对下一节点进行阻抗扫频和频率阻抗比较；若当前节点频率阻抗大于预设频率阻抗，则该节点进行节点电压判断，并根据判断结果进行谐波抑制处理；实时监测各节点母线零序电压和零序分量，筛选出发生铁磁谐振的节点；对发生铁磁谐振的节点母线零序电压进行FFT分解，获得铁磁谐振频率后利用有源逆变装置对该节点进行铁磁谐振抑制。本发明可以辨识与治理涉及电压裂泵及网电钻机等阶段性负荷的页岩气田配电网谐振过电压，且操作简单，不影响配电网的正常运行及页岩气田的正常生产。

Description

一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全性分析领域，尤其涉及一种电压裂泵及 网电钻机等阶段性负荷的页岩气田配电网谐振过电压综合辨识及治 理的方法。

背景技术

谐振过电压问题一直是电力系统中常见的问题之一。随着页岩气 田中大功率电压裂泵、网电钻机等阶段性负荷及其配套变频设备的投 入使用，电力系统呈现出愈发明显的电力电子特性，大量谐波引入配 电网中，在特定频率下极易诱发谐波谐振，使得该频率下的阻抗值极 大，只需一个很小的电流值，就会引发极大的电压值，造成谐波谐振 过电压，影响设备正常运行甚至烧毁设备；电压裂泵、网电钻机等阶 段性负荷运行情况具有不确定性，加之受到同馈线其他负载变化影响， 整个页岩气田配电网拓扑结构处于不断变化中，在一定情况容性、感 性阻抗匹配会引发铁磁谐振，铁磁谐振发生在电磁式电压互感器(PT) 中引起饱和过电流，过电流值可能会达到PT额定励磁电流的几十倍， 极易造成PT烧毁，同时铁磁谐振过电压持续时间较长，容易引起相 关设备烧毁，甚至造成停电，严重影响页岩气田配电网的稳定运行， 对页岩气田的正常生产造成很大的影响。

网电钻机、电压裂泵等清洁开采技术在页岩气开采中大规模应用 尚属首次，由此带来的页岩气田中的谐振过电压问题亟需进一步研究 与治理。国内外学者在长期研究谐波谐振、铁磁谐振的基础上，提出 了一些列治理措施及相应的消谐装置，这些措施及装置主要可以分为 两大类：一是改变电网结构参数，使电网远离谐振发生条件，避免谐 振的发生；二是消耗谐振过电压产生的能量，避免过电压对电网造成 进一步的破坏。但是两类方法存在应用场景单一、抑制盲区较大、灵 活性差及成本过高等问题，并不完全适用于页岩气田配电网谐振过电 压问题的治理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种页岩气田配电 网的谐振过电压综合辨识与治理方法，可以辨识与治理计及电压裂泵 及网电钻机等阶段性负荷的页岩气田配电网谐振过电压，且操作简单， 不影响配电网的正常运行及页岩气田的正常生产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，包括：

S1，对页岩气田配电网各节点进行实时阻抗扫频，并对每个节点 的节点频率阻抗与预设频率阻抗进行比较，若当前节点频率阻抗小于 预设频率阻抗，则对下一节点进行阻抗扫频和频率阻抗比较；若当前 节点频率阻抗大于预设频率阻抗，则进入步骤S2；

S2，按照预设的谐波抑制电压对大于预设频率阻抗的节点进行节 点电压判断，并根据判断结果进行谐波抑制处理；

S3，实时监测各节点母线零序电压、PT一次开口侧电压零序分 量和一次侧电流零序分量，按照铁磁谐振判断条件筛选出发生铁磁谐 振的节点；

S4，对发生铁磁谐振的节点母线零序电压进行FFT分解，获得 铁磁谐振频率；

S5，利用有源逆变装置和铁磁谐振频率对发生铁磁谐振的节点进 行铁磁谐振抑制。

具体的，步骤S2具体为：对大于预设频率阻抗的节点进行节点 电压判断：若节点电压低于0.4kV，则在该节点容易产生谐波诱发谐 波谐振处安装有源滤波器，滤除各个频率段的谐波；若节点电压高于 10kV，则在该节点容易产生谐波诱发谐波谐振处安装无源滤波器， 滤除容易诱发谐振的特定频率的谐波。本发明的预设频率阻抗为 1000′Ω。

进一步的，无源滤波器采用单调谐滤波器模型，其谐波阻抗值表 示为：

上式中，Z_LCh为单调谐滤波器的谐波阻抗值，R_LC、X_L、X_C分别 为单调谐滤波器基波电阻、感抗、容抗，h为单调谐滤波器的滤波次 数。

进一步的，滤除容易诱发谐振的特定频率的谐波过程包括：在滤 除特定频率的谐波时，满足该特定频率下Z_LCh最小，即满足：

此时，单调谐滤波器的滤波次数为：

此时单调谐滤波器的品质因数为：

式中，ω_h为单调谐滤波器的谐振角频率，品质因数Q的取值范围为30Q 100；

当滤除h次谐波时，确定单调谐滤波器的无功补偿容量Q_F，则 电容器容量为：

电容基波容抗为：

电感基波电抗为：

串联电阻为：

根据无源滤波器的配置原则，品质因数Q取值为30。

具体的，步骤S5具体为：在当前节点发生铁磁谐振时，通过有 源逆变装置向配电网节点中注入频率与铁磁谐振频率相同的零序电 流信号，通过实时改变注入零序电流信号的幅值及相位，使得该节点 零序电压值为零，从而抑制铁磁谐振。

进一步的，铁磁谐振判断条件为：在当前节点的PT一次开口侧 电压零序分量与一次侧电流零序分量小于该节点的额定相电压与额 定相电流的10％时，判定该节点发生铁磁谐振。

本发明的有益效果：本发明采用DIgSILENT及PSCAD软件对 所述方法在计及电压裂泵及网电钻机的页岩气田配电网中进行仿真 分析，从仿真结果可以看出，本发明提出的谐振过电压辨识及治理方 法能够有效找到容易诱发谐波谐振的节点并及时进行治理，降低谐波 可能引起的谐波谐振过电压，在铁磁谐振发生后能够快速释放积累的 暂态能量，有效降低过电压水平，减少故障恢复时间。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2为页岩气田配电网谐振过电压辨识与治理方法实现流程图；

图3为页岩气田配电网单个系统内部频率扫描结果示意图；

图4为页岩气田配电网各个节点频率扫描结果示意图；

图5为铁磁谐振抑制原理示意图；

图6为发生铁磁谐振时35kV电压互感器开口侧电压波形图；

图7为发生铁磁谐振时35kV电压互感器一次侧励磁电流波形图；

图8为发生铁磁谐振时35kV母线电压波形图；

图9为治理后35kV电压互感器开口侧电压波形图；

图10为治理后35kV电压互感器一次侧励磁电流波形图；

图11为治理后35kV母线电压波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解， 现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例 是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可 实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保 护范围。

实施例一：

本实施例中，如图1所示，一种页岩气田配电网的谐振过电压综 合辨识与治理方法，包括以下步骤：

S1对页岩气田配电网各节点进行实时阻抗扫频，当节点频率阻 抗小于1000′Ω时，无需采用谐波抑制措施，返回本步骤继续对其他 节点进行阻抗扫频；若该节点在某一频率下阻抗大于1000′Ω，进入下 一步骤；

S2对频率阻抗大于1000′Ω的节点电压进行判断：若节点电压较 低(0.4kV)，则在该节点容易产生谐波诱发谐波谐振处安装有源滤波 器，滤除各个频率段的谐波；若节点电压较高(10kV)，则在该节点 容易产生谐波诱发谐波谐振处安装无源滤波器，滤除容易诱发谐振的 特定频率的谐波；

S3实时监测各节点母线零序电压，PT一次开口侧电压零序分量 及一次侧电流零序分量：当零序分量小于10％额定相电压、额定相电 流时，发生铁磁谐振；

S4对零序电压进行FFT分解，找到铁磁谐振频率；

S5在发生铁磁谐振时，通过有源逆变装置向配电网节点中注入 相应频率的零序电流信号，通过实时改变注入零序电流信号的幅值及 相位，使得该节点零序电压值为零，从而抑制铁磁谐振。

本发明对于容易诱发谐波谐振的节点，若电压等级较低(0.4kV)， 选择合适参数的有源滤波器，若电压等级较高(10kV)，选择合适的 无源滤波器，及时将谐波滤除；对于容易诱发铁磁谐振过电压的节点， 对该节点测得的PT一次侧励磁电流、开口侧电压及母线电压进行 FFT分解，找出铁磁谐振频率，通过有源逆变装置向该节点注入相应 频率的零序电流信号，通过不断改变注入零序电流信号的幅值及相位， 使得该节点零序电压值为零。

以下对本发明方法做进一步说明：

图2为所述单调谐滤波器等值电路，所述无源滤波器采用单调谐 滤波器模型，忽略集肤效应的影响，则单调谐滤波器的电阻、电感、 电容值均保持不变，其谐波阻抗可以表示为：

上式中，Z_LCh为单调谐滤波器的谐波阻抗值，R_LC、X_L、X_C分别 为单调谐滤波器基波电阻、感抗、容抗，h为单调谐滤波器的滤波次 数。

在滤除特定频率的谐波时，应该满足该频率下Z_LCh最小，即满足：

此时，单调谐滤波器的滤波次数为：

此时单调谐滤波器的品质因数为：

式中，ω_h为单调谐滤波器的谐振角频率。

如公式

所示，R与C成反比，当滤波器的电感、电容确定时， Q越大，则R越小，滤波效果越明显，通常取30Q 100。

当滤除h次谐波时，单调谐滤波器的参数设计过程如下所示：

确定单调谐滤波器的无功补偿容量Q_F，则电容器容量为：

电容基波容抗为：

电感基波电抗为：

串联电阻为：

根据无源滤波器的配置原则，应尽量使单调谐滤波器的品质因数Q 值一致，取Q值为30。

有源滤波器可根据实际压缩机额定功率、压缩机额定电压、负载 率、总电流畸变率、谐波电流及可靠系数综合考虑选择合适的容量， 对于变频器总电流畸变率取0.3，可靠系数取1.3。

图3为页岩气田配电网铁磁谐振抑制原理图，设图中三相对地参 数对称，E_A、E_B、E_C分别为电网中A、B、C三相电源电压，r₀为单 相对地的泄漏电阻，C₀为单相对地电容，u₀为零序电压，I_i为注入电 流，L_A、L_B、L_C为电压互感器的励磁电感。

将电压互感器高压侧的励磁电流记作

的形式，

为磁通， 设电压互感器高低压侧的线圈绕组匝数分别为m₁、m₂，

三相绕组可以记为：

式中，i_a、i_b、i_c分别为电压互感器一次侧励磁电流。

根据KCL可得：

由上式可知，零序电压u₀与注入电流I_i呈现一定的函数关系，采 用由PWM波调制的有源逆变装置发生铁磁谐振的节点注入零序电流， 吸收故障恢复过程中页岩气田配电网中的零序暂态能量，从而为线路 对地电容中积累的多余电荷提供新的释放通路，从而抑制了过电压的 产生，提高了电网的稳定性运行水平。

实施例二：

为验证本发明描述的页岩气田配电网谐波谐振阻抗监测的可靠 性，采用DIgSILENT软件对页岩气田配电网各节点进行频率扫描。

图3、图4分别对单个节点内部以及对各个节点扫频结果，由图 3可以看出，阻抗频率较大值主要集中在各变频设备处，对各主要变 频设备根据电压等级不同分别设计不同类型的滤波器，降低谐振阻抗。 由图3可以看出，频率阻抗较高的节点主要为各压裂及钻井平台，对 各平台内部依次进行扫频，从而对压裂、钻井平台内部谐波源进行治 理。

图5为本发明中的页岩气田配电网铁磁谐振治理系统实施例，包 括在配电网中性点与地之间安装的有源逆变装置，以及由依次连接的 电压检测电路、控制器及PWM驱动电路组成的有源逆变装置零序电 压模型预测控制装置，检测电路外接及配电网中性点的电流u₀及I₀， 驱动电路直接驱动所述的有源逆变装置。

图6、图7、图8分别为发生铁磁谐振后35kV PT一次侧开口电 压、一次侧励磁电流及35kV母线电压波形，此时系统发生分频谐振， 谐振频率为14.28z，PT一次侧励磁电流发生明显畸变，且较高频谐 振和基频谐振幅值上升幅度最大，正常运行时为0.006A，发生铁磁 谐振时电流值为0.063A，过电流倍数为10.5倍；正常运行时母线电 压为35kV，谐振时电压值为61.433kV，过电压倍数为1.743倍，故 障恢复时间为0.5s。

图9、图10、图11分别为治理后35kV PT一次侧开口电压、一 次侧励磁电流及35kV母线电压波形，过电流倍数为3.8倍；过电压 倍数为0.743倍，故障恢复时间为0.12s，过电流倍数、过电压倍数、 故障恢复时间较治理前有明显的改善。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施 例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和 范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落 入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要 求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，包括：

S1，对页岩气田配电网各节点进行实时阻抗扫频，并对每个节点的节点频率阻抗与预设频率阻抗进行比较，若当前节点频率阻抗小于预设频率阻抗，则对下一节点进行阻抗扫频和频率阻抗比较；若当前节点频率阻抗大于预设频率阻抗，则进入步骤S2；

S2，按照预设的谐波抑制电压对大于预设频率阻抗的节点进行节点电压判断，并根据判断结果进行谐波抑制处理；

S3，实时监测各节点母线零序电压、PT一次开口侧电压零序分量和一次侧电流零序分量，按照铁磁谐振判断条件筛选出发生铁磁谐振的节点；

S4，对发生铁磁谐振的节点母线零序电压进行FFT分解，获得铁磁谐振频率；

S5，利用有源逆变装置和铁磁谐振频率对发生铁磁谐振的节点进行铁磁谐振抑制。

2.根据权利要求1所述的一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：对大于预设频率阻抗的节点进行节点电压判断：若节点电压低于0.4kV，则在该节点容易产生谐波诱发谐波谐振处安装有源滤波器，滤除各个频率段的谐波；若节点电压高于10kV，则在该节点容易产生谐波诱发谐波谐振处安装无源滤波器，滤除容易诱发谐振的特定频率的谐波。

3.根据权利要求2所述的一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，所述无源滤波器采用单调谐滤波器模型，其谐波阻抗值表示为：

上式中，Z_LCh为单调谐滤波器的谐波阻抗值，R_LC、X_L、X_C分别为单调谐滤波器基波电阻、感抗、容抗，h为单调谐滤波器的滤波次数。

4.根据权利要求2所述的一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，所述滤除容易诱发谐振的特定频率的谐波过程包括：在滤除特定频率的谐波时，满足该特定频率下Z_LCh最小，即满足：

此时，单调谐滤波器的滤波次数为：

此时单调谐滤波器的品质因数为：

式中，ω_h为单调谐滤波器的谐振角频率，品质因数Q的取值范围为30Q 100；当滤除h次谐波时，确定单调谐滤波器的无功补偿容量Q_F，则电容器容量为:

电容基波容抗为：

电感基波电抗为：

串联电阻为：

根据无源滤波器的配置原则，品质因数Q取值为30。

5.根据权利要求1所述的一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：在当前节点发生铁磁谐振时，通过有源逆变装置向配电网节点中注入频率与铁磁谐振频率相同的零序电流信号，通过实时改变注入零序电流信号的幅值及相位，使得该节点零序电压值为零，从而抑制铁磁谐振。

6.根据权利要求1所述的一种页岩气田配电网的谐振过电压综合辨识与治理方法，其特征在于，所述铁磁谐振判断条件为：在当前节点的PT一次开口侧电压零序分量与一次侧电流零序分量小于该节点的额定相电压与额定相电流的10％时，判定该节点发生铁磁谐振。

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