有源濾波裝置在海洋平臺上的應(yīng)用

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司    嘉定   201801

 1  引言

       近些年，隨著我國海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海上平臺規(guī)模不斷擴大，大型多功能商業(yè)和工程船舶以及海上鉆采平臺的功能越來越豐富，電站裝機容量越來越大，以大功率變頻裝置驅(qū)動的電動機所占比例也越來越高。交流變頻驅(qū)動中變頻器的廣泛應(yīng)用給海洋事業(yè)帶來了巨大的收益的同時，也帶來嚴(yán)重的諧波污染。

2  諧波的危害

       在采用電力電子器件實現(xiàn)變頻調(diào)速的過程中，由于電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，在其輸入和輸出側(cè)的電壓和電流中都會出現(xiàn)波形畸變，從而產(chǎn)生了大量的諧波。諧波污染大大增加了電網(wǎng)中發(fā)生局部的并聯(lián)或者串聯(lián)諧振的可能，使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，產(chǎn)生過電壓或過電流，對繼電保護(hù)、計算機、測量和計量儀器以及通信系統(tǒng)等都有不利的影響。大量諧波的存在，不僅使船舶發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率降低，而且會使電氣設(shè)備過熱，并導(dǎo)致絕緣老化、使用壽命縮短；甚至還會對船舶電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)和電力測量等設(shè)備帶來嚴(yán)重影響，引起誤動作和拒絕動作，降低繼電保護(hù)和自動控制裝置的可靠性。

       近幾年諧波畸變所引起的海上平臺變壓器過熱、儀表數(shù)據(jù)波動、電容器過載損壞等現(xiàn)象已日漸引起相關(guān)工作者的關(guān)注和警覺，諧波分析和抑制成為海上平臺電力系統(tǒng)設(shè)計時所必須考慮的重要課題。人們也越來越意識到并逐步實施對于諧波的治理工作，近幾年建造投用的大型船舶和海上鉆采平臺在設(shè)計初始就采用增加濾波器等諧波治理措施，對于早年投用的船舶和海上鉆采平臺，由于投用時間久，期間經(jīng)歷過不同程度的改造以及設(shè)備、電纜等均有不同程度的老化，諧波治理將更為復(fù)雜。因此，采用現(xiàn)有成熟可靠的技術(shù)和設(shè)備解決船舶和海上鉆采平臺諧波問題尤為重要。

3  諧波的治理

3.1  治理方式

        解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題，不外乎兩種途徑：一種是裝設(shè)補償裝置，如有源濾波器、無功功率補償器等，設(shè)法對諧波進(jìn)行抑制和對無功進(jìn)行補償；另一種是對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，或者少產(chǎn)生諧波，也不消耗無功功率，或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對現(xiàn)有電力電子裝置進(jìn)行大規(guī)模更新，投入成本較大，并且只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置，因此有一定的局限性。而前一種方法則適用于各種諧波源和低功率因數(shù)設(shè)備，并且方法簡單，已得到廣泛應(yīng)用。

       傳統(tǒng)的補償無功功率和諧波的主要手段是設(shè)置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此外，此種補償方法損耗大，又只能補償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效的動態(tài)補償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進(jìn)行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。目前的趨勢是采用電力電子裝置進(jìn)行諧波補償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。

3.2  有源濾波器的優(yōu)勢

有源濾波器的主要優(yōu)點有：

       (1)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)。

       (2)當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險，同時還能抑制串并聯(lián)諧振。

       (3)原理上比PPF更為*，用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流，完成各次諧波的治理。

       (4)實現(xiàn)動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補償，對補償對象的變化有極快的響應(yīng)速度。

       (5)由于裝置本身能完成輸出限制，當(dāng)線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開。

       (6)具備多種補償功能，可以對無功功率和負(fù)序進(jìn)行補償。

       (7)諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

       (8)可以對多個諧波源進(jìn)行集中治理。

3.3  ANAPF系列有源電力濾波裝置

       安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，是諧波治理和無功補償?shù)?選擇，是確保海上平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有力保障。

3.3.1  工作原理

       ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。（見圖1）

圖1  ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理圖

3.3.2  技術(shù)參數(shù)

3.3.3  功能模塊介紹

◆ 控制器模塊APFMC-C100

       主要由：DSP（數(shù)字信號處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM波形控制電路、RS485通訊電路等組成，主要用來完成電壓、電流等信號的采集和處理、指令電流的計算、開關(guān)電路的生成、PWM信號的輸出、系統(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能?？刂葡到y(tǒng)是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和指標(biāo)。

◆ 變流器模塊APFCOV

       其核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng)IGBT功率模塊整流后為儲能電容充電，使母線電壓維持在某個穩(wěn)定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當(dāng)主電路產(chǎn)生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長時間運行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國原裝產(chǎn)品，以確保整機質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補償電流的大小而有所不同。

◆ 電抗器模塊APF-RE.DG、APF-RE.SDG

       APF電抗器起濾波作用，濾除APF發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從1到200A等多種規(guī)格。

◆人機操作界面APF-HMI

       APF柜在工作時，系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(wǎng)側(cè)電流、APF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流，用戶可以通過HMI來對APF的運行模式進(jìn)行設(shè)置，對于運行中出現(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對應(yīng)的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統(tǒng)，工礦企業(yè)，公用設(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計的一種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過面板按鍵來實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

◆配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.3.4  技術(shù)優(yōu)勢

● DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時間；

●先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運行更穩(wěn)定；

●一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；

●模塊化設(shè)計，便于生產(chǎn)調(diào)試；

●便利的并聯(lián)設(shè)計，方便擴容；

●具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；

●使用方便，易于操作和維護(hù)。

3.3.5  有源濾波器報價及元件清單

4  ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用實例

       中海油某油田開發(fā)項目采用VFD電氣傳動控制系統(tǒng)（交流調(diào)速傳動控制），變頻驅(qū)動電鉆機時產(chǎn)生了大量的諧波，實測600V母線上電壓的畸變率為l8.0％左右，需要配備諧波抑制和無功補償?shù)脑O(shè)備。但VFD系統(tǒng)的功率因數(shù)較高，一般在0.8左右，針對此系統(tǒng)特點，擬只用有源濾波器來抑制諧波，而不設(shè)置動態(tài)無功功率補償裝置。

       經(jīng)過計算及慎重考慮后，用戶選定了安科瑞公司的ANAPF系列有源電力濾波裝置進(jìn)行諧波治理。ANAPF100-400/B投入運行前后的系統(tǒng)諧波如下（圖2-11）：

    圖2  ANAPF投入前的電壓波形圖                           圖3  ANAPF投入后的電壓波形圖

    圖4  ANAPF投入前的電流波形圖                             圖5   ANAPF投入后的電流波形圖

    圖6  ANAPF投入前的電壓頻譜圖                          圖7  ANAPF投入后的電壓頻譜圖

    圖8  ANAPF投入前的電流頻譜圖                                圖9  ANAPF投入后的電流頻譜圖

   圖10  ANAPF投入前的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)                            圖11  ANAPF投入后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

    對于現(xiàn)場600V電網(wǎng)的電網(wǎng)質(zhì)量和功率因數(shù)均有較大的改善，通過下面濾波器和無功補償裝置投入前后的數(shù)據(jù)比較，也可說明改善的效果。

5  結(jié)論
    近年來變頻器因為其驅(qū)動電動機系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等特點在海洋平臺電力系統(tǒng)中得以越來越多的應(yīng)用，但同時因為它非線性的工作方式產(chǎn)生的高次諧波給海洋平臺電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了一定的影響，對其他電氣設(shè)備造成損害，其危害已不可忽視，因此帶來了海洋平臺電力系統(tǒng)諧波分析的必要性和諧波治理的緊迫性。ANAPF系列有源電力濾波器是一種特別適合艦船及鉆采等海上平臺諧波治理的方案。它的使用，較好地抑制了電網(wǎng)中的諧波污染，極大地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，滿足了各設(shè)備的運行及GJB151A中CE101項的指標(biāo)要求，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 趙慎,魏克新等．海洋采油電力系統(tǒng)[M]．天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1992

[ 2 ] 胡銘，陳衍．有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用．電力系統(tǒng)自動化[J]，2002，4(3)：66 70

[ 3 ] 呂汀，石紅梅．變頻技術(shù)原理與應(yīng)用．北京：機械工業(yè)出版社，2003

[ 4 ] 國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T-14549-93“電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)".1993

[ 5 ] 翁海珥，張陽春．新型交流變頻電驅(qū)動石油鉆機[J]，石油礦場機械，2000，29(3)：6-7，l9

[ 6 ]中國國家軍用EMC設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)， GJB151a-97-China' s military EMC design standards, GJB151a-97.

[ 7 ]上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2013.01.版

作者簡介：

淮亞利，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電。
      《ANAPF有源電力濾波裝置設(shè)計與應(yīng)用圖集》（圖集號：ACR13CDX701）由安科瑞電氣股份有限公司主編，本圖集結(jié)合ANAPF有源電力濾波裝置產(chǎn)品的特點，依據(jù)電氣設(shè)計規(guī)范，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題，達(dá)到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全運行的目的。圖集適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設(shè)備的諧波抑制及綜合治理的設(shè)計與改造。