有源濾波裝置在海洋平臺上的應用

蔡舒韜

安科瑞電氣股份有限公司    嘉定   201801

1  引言

近些年，隨著我國海洋事業的蓬勃發展，海上平臺規模不斷擴大，大型多功能商業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動的電動機所占比例也越來越高。交流變頻驅動中變頻器的廣泛應用給海洋事業帶來了巨大的收益的同時，也帶來嚴重的諧波污染。

2  諧波的危害

在采用電力電子器件實現變頻調速的過程中，由于電力半導體器件的開關特性，在其輸入和輸出側的電壓和電流中都會出現波形畸變，從而產生了大量的諧波。諧波污染大大增加了電網中發生局部的并聯或者串聯諧振的可能，使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，產生過電壓或過電流，對繼電保護、計算機、測量和計量儀器以及通信系統等都有不利的影響。大量諧波的存在，不僅使船舶發電、輸電和用電設備的效率降低，而且會使電氣設備過熱，并導致絕緣老化、使用壽命縮短；甚至還會對船舶電力系統中的繼電保護和電力測量等設備帶來嚴重影響，引起誤動作和拒絕動作，降低繼電保護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、儀表數據波動、電容器過載損壞等現象已日漸引起相關工作者的關注和警覺，諧波分析和抑制成為海上平臺電力系統設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，期間經歷過不同程度的改造以及設備、電纜等均有不同程度的老化，諧波治理將更為復雜。因此，采用現有成熟可靠的技術和設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生的諧波污染和低功率因數問題，不外乎兩種途徑：一種是裝設補償裝置，如有源濾波器、無功功率補償器等，設法對諧波進行抑制和對無功進行補償；另一種是對電力電子裝置本身進行改進，使其不產生諧波，或者少產生諧波，也不消耗無功功率，或根據需要對其功率因數進行調節。后一種方法需要對現有電力電子裝置進行大規模更新，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設備，并且方法簡單，已得到廣泛應用。

傳統的補償無功功率和諧波的主要手段是設置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結構簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，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行有效的動態補償。而隨著電力系統的發展，對無功功率和諧波進行快速動態補償的需求越來越大。目前的趨勢是采用電力電子裝置進行諧波補償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。

3.2  有源濾波器的優勢

有源濾波器的主要優點有：

（1）有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化、規模化生產。

（2）當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在與電網阻抗發生諧波的危險，同時還能抑制串并聯諧振。

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

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

（6）具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。

（7）諧波補償特性不受電網頻率變化的影響。

（8）可以對多個諧波源進行集中治理。

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抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現了動態跟蹤補償，是諧波治理和無功補償的*選擇，是確保海上平臺電力系統穩定運行的有力保障。

3.3.1  工作原理

ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯的方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現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  技術參數

3.3.3  功能模塊介紹

    1）控制器模塊APFMC-C100

主要由：DSP（數字信號處理器）、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、開關電路的生成、PWM信號的輸出、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。

2）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的電壓經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定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態，當主電路產生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的，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品，以確保整機質量。變流器的選擇根據補償電流的大小而有所不同。

3）電抗器模塊APF-RE.DG、APF-RE.SDG

APF電抗器起濾波作用，濾除APF發出的電網不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從1到200A等多種規格。

4）人機操作界面APF-HMI

APF柜在工作時，系統可以監測其網側電流、APF橋臂電流以及負載側電流，用戶可以通過HMI來對APF的運行模式進行設置，對于運行中出現的問題，可以產生對應的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統，工礦企業，公用設施,智能大廈的電力監控需求而設計的一種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過面板按鍵來實現參數設置和控制，集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質量參數的分析。

5）配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.3.4  技術優勢

①DSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間；

②*的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；

③一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；

④模塊化設計，便于生產調試；

⑤便利的并聯設計，方便擴容；

⑥具有完善的橋臂過流、保護功能；

⑦使用方便，易于操作和維護。

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用實例

中海油某油田開發項目采用VFD電氣傳動控制系統（交流調速傳動控制），變頻驅動電鉆機時產生了大量的諧波，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的設備。但VFD系統的功率因數較高，一般在0.8左右，針對此系統特點，擬只用有源濾波器來抑制諧波，而不設置動態無功功率補償裝置。

經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行諧波治理。ANAPF100-400/B投入運行前后的系統諧波如下（圖2-11）：

對于現場600V電網的電網質量和功率因數均有較大的改善，通過下面濾波器和無功補償裝置投入前后的數據比較，也可說明改善的效果。

5  結論
近年來變頻器因為其驅動電動機系統節能明顯、調節方便等特點在海洋平臺電力系統中得以越來越多的應用，但同時因為它非線性的工作方式產生的高次諧波給海洋平臺電網系統帶來了一定的影響，對其他電氣設備造成損害，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，較好地抑制了電網中的諧波污染，*地改善了電網的電能質量，滿足了各設備的運行及GJB151A中CE101項的指標要求，具有較好的推廣應用價值。

參考文獻

[ 1 ] 趙慎,魏克新等．海洋采油電力系統[M]．天津:天津科學技術出版社,1992

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

[ 3 ] 呂汀，石紅梅．變頻技術原理與應用．北京：機械工業出版社，2003

[ 4 ] 國家標準：GB/T-14549-93“電能質量標準”.1993

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

[ 6 ]中國國家軍用EMC設計標準， 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品手冊.2013.01.版

作者簡介：

蔡舒韜，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供配電，: ：

《ANAPF有源電力濾波裝置設計與應用圖集》（圖集號：ACR13CDX701）由安科瑞電氣股份有限公司主編，本圖集結合ANAPF有源電力濾波裝置產品的特點，依據電氣設計規范，研究消除供配電系統中的高次諧波問題，達到改善供電質量和確保電力系統安全運行的目的。圖集適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的諧波抑制及綜合治理的設計與改造。凡需要圖集的請提供貴單位名稱、部門、地址、、、、等信息，傳真、郵件或至安科瑞蔡舒韜工程師收，安科瑞電氣免費贈送。