安科瑞 徐玉麗

江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

1  引言

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

2  諧波的危害

在采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的過(guò)程中，由于電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性，在其輸入和輸出側(cè)的電壓和電流中都會(huì)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(guò)電壓或過(guò)電流，對(duì)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)、測(cè)量和計(jì)量?jī)x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(huì)使電氣設(shè)備過(guò)熱，并導(dǎo)致絕緣老化、使用壽命縮短；甚至還會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)和電力測(cè)量等設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重影響，引起誤動(dòng)作和拒絕動(dòng)作，降低繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的可靠性。

近幾年諧波畸變所引起的海上平臺(tái)變壓器過(guò)熱、儀表數(shù)據(jù)波動(dòng)、電容器過(guò)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(jué)，諧波分析和抑制成為海上平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要課題。人們也越來(lái)越意識(shí)到并逐步實(shí)施對(duì)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(tái)在設(shè)計(jì)初始就采用增加濾波器等諧波治理措施，對(duì)于早年投用的船舶和海上鉆采平臺(tái)，由于投用時(shí)間久，期間經(jīng)歷過(guò)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(tái)諧波問(wèn)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(wèn)題，不外乎兩種途徑：一種是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，如有源濾波器、無(wú)功功率補(bǔ)償器等，設(shè)法對(duì)諧波進(jìn)行抑制和對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償；另一種是對(duì)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(wú)功功率，或根據(jù)需要對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對(duì)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(jiǎn)單，已得到廣泛應(yīng)用。

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

3.2  有源濾波器的優(yōu)勢(shì)

有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，因此此類(lèi)裝置適合系列化、規(guī)模化生產(chǎn)。

（2）當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)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(xiǎn)，同時(shí)還能抑制串并聯(lián)諧振。

（3）原理上比PPF更為優(yōu)越，用同一臺(tái)裝置可同時(shí)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)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(shí)有源濾波器不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開(kāi)。

（6）具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。

（7）諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

（8）可以對(duì)多個(gè)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(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)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(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，是諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴堰x擇，是確保海上平臺(tái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無(wú)功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償。（見(jiàn)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

u 控制器模塊APFMC-C100

主要由：DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號(hào)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(lái)完成電壓、電流等信號(hào)的采集和處理、指令電流的計(jì)算、開(kāi)關(guān)電路的生成、PWM信號(hào)的輸出、系統(tǒng)對(duì)外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能。控制系統(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)。

u 變流器模塊APFCOV

其核心是儲(chǔ)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(chǔ)能電容充電，使母線電壓維持在某個(gè)穩(wěn)定的值，在這個(gè)過(guò)程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，變流器又工作在逆變狀態(tài)。考慮到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國(guó)原裝產(chǎn)品，以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)償電流的大小而有所不同。

u 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15A到200A等多種規(guī)格。

u 人機(jī)操作界面APF-HMI

APF柜在工作時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)其網(wǎng)側(cè)電流、APF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流，用戶(hù)可以通過(guò)HMI來(lái)對(duì)APF的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件記錄。HMI就是我司針對(duì)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(jì)的一種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過(guò)面板按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測(cè)量、全面的電能計(jì)量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

u 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.3.4  技術(shù)優(yōu)勢(shì)

l DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；

l 先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀摺⑦\(yùn)行更穩(wěn)定；

l 一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功；

l 模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；

l 便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；

l 具有完善的橋臂過(guò)流、保護(hù)功能；

l 使用方便，易于操作和維護(hù)。

3.3.5  有源濾波器報(bào)價(jià)及元件清單

4  ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用實(shí)例

中海油某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目采用VFD電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)（交流調(diào)速傳動(dòng)控制），變頻驅(qū)動(dòng)電鉆機(jī)時(shí)產(chǎn)生了大量的諧波，實(shí)測(cè)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(wú)功補(bǔ)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(duì)此系統(tǒng)特點(diǎn)，擬只用有源濾波器來(lái)抑制諧波，而不設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。

經(jīng)過(guò)計(jì)算及慎重考慮后，用戶(hù)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(yùn)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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(guò)下面濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置投入前后的數(shù)據(jù)比較，也可說(shuō)明改善的效果。

 

5  結(jié)論
    近年來(lái)變頻器因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)在海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)中得以越來(lái)越多的應(yīng)用，但同時(shí)因?yàn)樗蔷€性的工作方式產(chǎn)生的高次諧波給海洋平臺(tái)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)了一定的影響，對(duì)其他電氣設(shè)備造成損害，其危害已不可忽視，因此帶來(lái)了海洋平臺(tái)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(tái)諧波治理的優(yōu)秀方案。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(mǎn)足了各設(shè)備的運(yùn)行及GJB151A中CE101項(xiàng)的指標(biāo)要求，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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