有源濾波裝置在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用

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)的功能越來越豐富，電站裝機(jī)容量越來越大，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)帶來了巨大的收益的同時(shí)，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(shí)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(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)生過電壓或過電流，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)變壓器過熱、儀表數(shù)據(jù)波動(dòng)、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(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的重要課題。人們也越來越意識(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(bǔ)償裝置，如有源濾波器、無功功率補(bǔ)償器等，設(shè)法對(duì)諧波進(jìn)行抑制和對(duì)無功進(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)償無功功率和諧波的主要手段是設(shè)置無功補(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)變化的無功功率和諧波進(jìn)行的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無功功率和諧波進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱蟆Ｄ壳暗内厔?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*，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功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有快的響應(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(bǔ)償功能，可以對(duì)無功功率和負(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(bǔ)償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，是諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)?選擇，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)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)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(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(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)諧波治理和無功補(bǔ)償。（見圖1）