有源滤波装置在海洋平台上的应用--吾爱海洋

淮亚利

安科瑞电气股份有限公司    嘉定   201801

& f* i! m$ T, Z 1  引言
6 {1 G. e, b1 o2 O0 D$ Q$ P       近些年，随着我国海洋事业的蓬勃发展，海上平台规模不断扩大，大型多功能商业和工程船舶以及海上钻采平台的功能越来越丰富，电站装机容量越来越大，以大功率变频装置驱动的电动机所占比例也越来越高。交流变频驱动中变频器的广泛应用给海洋事业带来了巨大的收益的同时，也带来严重的谐波污染。
# a8 g; Y! `+ }8 W# Z. L7 A8 [2  谐波的危害
" m: R. I, E' f9 z- H1 k       在采用电力电子器件实现变频调速的过程中，由于电力半导体器件的开关特性，在其输入和输出侧的电压和电流中都会出现波形畸变，从而产生了大量的谐波。谐波污染大大增加了电网中发生局部的并联或者串联谐振的可能，使谐波电流放大几倍甚至几十倍，产生过电压或过电流，对继电保护、计算机、测量和计量仪器以及通信系统等都有不利的影响。大量谐波的存在，不仅使船舶发电、输电和用电设备的效率降低，而且会使电气设备过热，并导致绝缘老化、使用寿命缩短；甚至还会对船舶电力系统中的继电保护和电力测量等设备带来严重影响，引起误动作和拒绝动作，降低继电保护和自动控制装置的可靠性。
* J7 f' k* X* v4 c0 @       近几年谐波畸变所引起的海上平台变压器过热、仪表数据波动、电容器过载损坏等现象已日渐引起相关工作者的关注和警觉，谐波分析和抑制成为海上平台电力系统设计时所必须考虑的重要课题。人们也越来越意识到并逐步实施对于谐波的治理工作，近几年建造投用的大型船舶和海上钻采平台在设计初始就采用增加滤波器等谐波治理措施，对于早年投用的船舶和海上钻采平台，由于投用时间久，期间经历过不同程度的改造以及设备、电缆等均有不同程度的老化，谐波治理将更为复杂。因此，采用现有成熟可靠的技术和设备解决船舶和海上钻采平台谐波问题尤为重要。
3  谐波的治理
# e4 t4 m+ o0 x" L3.1  治理方式
% d0 D# |# U8 w! U        解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题，不外乎两种途径：一种是装设补偿装置，如有源滤波器、无功功率补偿器等，设法对谐波进行抑制和对无功进行补偿；另一种是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，或者少产生谐波，也不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行调节。后一种方法需要对现有电力电子装置进行大规模更新，投入成本较大，并且只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，因此有一定的局限性。而前一种方法则适用于各种谐波源和低功率因数设备，并且方法简单，已得到广泛应用。
$ {4 [5 E8 o* V; G7 T4 P       传统的补偿无功功率和谐波的主要手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，此种补偿方法损耗大，又只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，即采用有源滤波器（Active Power Filter，APF）。
  u- o+ Q# i$ F- s1 O- S3.2  有源滤波器的优势
4 F* t3 T* x7 k# a有源滤波器的主要优点有：
2 B7 y( m0 Z/ [       (1)有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产。
       (2)当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振。
       (3)原理上比PPF更为优越，用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流，完成各次谐波的治理。
! f4 @9 O, B2 E9 f8 `; I       (4)实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。
       (5)由于装置本身能完成输出限制，当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。
       (6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。
       (7)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。
% c% H: p) M$ S       (8)可以对多个谐波源进行集中治理。

+ {0 Z1 T  R2 d$ ]# V. P3.3  ANAPF系列有源电力滤波装置
       安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，是谐波治理和无功补偿的*选择，是确保海上平台电力系统稳定运行的有力保障。
7 Q) ~3 v" ^/ ^1 `9 b3.3.1  工作原理
: K- s5 a2 N0 z+ T5 J) ]- s1 ]7 p       ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。（见图1）

6 {9 B7 ~7 ^8 x9 n7 C                               
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图1  ANAPF有源电力滤波装置的工作原理图

3.3.2  技术参数

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压 ; Z9 f% {& ]$ ~/ c	3×380V ±10% , F6 k' F8 B, i
接入频率 - l1 S9 {3 u' s	50Hz ±2%
动态补偿响应时间 : @; m. d" u0 @) t3 Z	动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；
开关频率 ; ?. R& B3 {- A	10kHz 8 U2 T( U$ a! d
功能设置	只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。 1 x* a) z/ g" X9 V; b- ~8 M
谐波补偿次数	2-21次 ( y* S# z0 S0 r# C% H6 l  Y
保护类型	直流过压　IGBT过流　装置温度保护
过载保护	自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式	智能风冷 3 O% ~/ W0 t% a$ [' R& K8 U5 ?
噪音 # X  y+ P5 H- M3 I8 ^' T1 s	＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合 2 }% F  t# _2 l	室内安装 - M6 K4 S( ~  i& b
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用） 1 ?4 w' [1 t. P) ~7 ^: X
进出线方式	下进下出 " R7 Z0 \7 s5 m& Y/ b1 [
防护等级 . P3 H4 V% D, G5 }" q. X5 M	IP21 , ~9 O& u: U: i
智能通信接口 ; m: `8 P/ M# ]	RS485/MODBUS-RTU
远程监控	可选
外形尺寸(mm) & m% M9 M+ A  |/ t(W×D×H)	30A 5 x- G5 {* @* L' S7 @	50A - S6 e: P4 `. I" {  w* q* m	7   f& w# a! W% c; K* r	100A " f6 ?7 Z) G0 N' X
	600×500×1500 * o2 F* y* `5 W0 n	600×500×1500	600×500×1800 / X/ `# u# _- w. _% X	800×600×2200
重量(kg) # p' g3 Q6 [7 }7 ?' q	三相四线 7 ~# t0 _$ `) u$ q		三相三线
	30A、50A 0 b8 O: g- g- A, z0 `! O4 e& r	7、100A	30A、50A & x- C& C4 p6 ^	7、100A
	280	360 1 A! |3 r( L2 I, S( P	240 : j$ K3 g; t) G* f* v" ~8 A; ^0 j" e6 Z	290

3.3.3  功能模块介绍
/ B! I; b: I- d& m◆ 控制器模块APFMC-C100
       主要由：DSP（数字信号处理器）、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、PWM波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。
+ u; [. M# i9 `  |2 `; R◆ 变流器模块APFCOV
) d0 t2 F1 R, w/ |( }4 i       其核心是储能电容和IGBT模块。变流器的作用主要是将电网的电压经IGBT功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定的值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态，当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。考虑到产品是在电网中长时间运行的，因此直流支撑电容采用薄膜电容，功率模块采用德国原装产品，以确保整机质量。变流器的选择根据补偿电流的大小而有所不同。
/ D* ~2 X3 t. X9 F5 [1 H# |◆ 电抗器模块APF-RE.DG、APF-RE.SDG
6 V* w3 E/ I1 \       APF电抗器起滤波作用，滤除APF发出的电网不需要的谐波。电抗器可分为单相和三相，电流从1到200A等多种规格。
◆人机操作界面APF-HMI
       APF柜在工作时，系统可以监测其网侧电流、APF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对APF的运行模式进行设置，对于运行中出现的问题，可以产生对应的事件记录。HMI就是我司针对电力系统，工矿企业，公用设施,智能大厦的电力监控需求而设计的一种智能仪表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏显示界面，通过面板按键来实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、全面的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析。
◆配套的电流采样互感器AKH-0.66-K
3.3.4  技术优势
● DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；
1 X: q3 V0 t4 ]: O* o●先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
●一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；
% n* d4 `8 u  l' n1 Q●模块化设计，便于生产调试；
●便利的并联设计，方便扩容；
9 x& H9 x+ Q7 i5 \: U8 A. y7 j●具有完善的桥臂过流、保护功能；
8 I# y: X* m) Q- }: e& C1 h" f●使用方便，易于操作和维护。
3.3.5  有源滤波器报价及元件清单
: Q- `, ?3 g: O7 v* e) r! ]6 ]

型号：ANAPF100-400/B 3 o4 `+ M" W2 _$ G* u' f3 Q; q  O
参考价格：12万元/台 ) h7 g& T" Q8 U+ Z" K
主要产品明细：
序号 7 P. O4 }4 h0 {# j( B	名    称	型    号 5 E+ @$ Y) U) A  c0 G7 L	数量
1	APF电气柜 * z4 x4 ]9 Y$ R# V	800X600X2200 ; k+ V' X7 c; n' N! i	1
2 + s) C' |  P! d" G0 p4 d+ p6 z	变流器 " E) ~& e: S! r& L* N	APFCOV-CVT100 4 m$ ]1 G9 k' k	1
3 : z/ z# t' B1 J  ^* n% p% h	控制器	APFMC-C100 2 f# ?6 P. P: S4 w) z* w$ B	1
4	电抗器 : m! j2 y9 w# j8 M0 I- r	APF-RE.(S)DG-100 ! K! ?+ Q' D: w6 T	1
5 5 k- ]1 X9 Q; }$ [% f7 ~* w	有源电流互感器 : E( f0 Q5 [; U/ l1 ^3 c	LT208-S7	3 1 r- A, \) c1 c9 N; |
6	滤波器 ) e) _5 g9 W5 w9 T2 a: D	DL-1TH1	2
7	断路器	CVS160FTM160D4P3D	1 : P+ o8 M: Q% t; O4 I+ y
8	接触器 ! l, O, V; q& I# K$ S	LC1D150M7C	1 1 @$ X: s& a* x6 ~* w
9	微型断路器	NDM1-63C32	1 / b, M4 w- f; W$ z% q
10	中间继电器 5 T! o* }3 N0 A1 o- i6 n	MY4NAC ( a5 f- _2 `/ m8 Z2 u! E	2 8 _* J/ O- v( [
11 4 u' ]4 a  l$ P' z- S	R型变压器 4 a/ ?0 q$ v" |/ _- @+ |	R320-0.38/0.22	1 0 F$ \/ c" T  @$ a) O7 a
12	谐波检测仪	ACR350EGH / k9 p& U$ ~3 s# N	1
13 9 E. T0 H3 `% Y/ V) V- f; f/ J	电线	16mm2	若干
14	电线 $ c0 w- E/ H' U	4mm2 9 D4 s/ ~* |& t	若干 * _, ]8 x' e* ?, ^( C

4  ANAPF有源电力滤波装置的应用实例
       中海油某油田开发项目采用VFD电气传动控制系统（交流调速传动控制），变频驱动电钻机时产生了大量的谐波，实测600V母线上电压的畸变率为l8.0％左右，需要配备谐波抑制和无功补偿的设备。但VFD系统的功率因数较高，一般在0.8左右，针对此系统特点，拟只用有源滤波器来抑制谐波，而不设置动态无功功率补偿装置。
. A; ^  Y8 f+ r& h- M. j. A( Y       经过计算及慎重考虑后，用户选定了安科瑞公司的ANAPF系列有源电力滤波装置进行谐波治理。ANAPF100-400/B投入运行前后的系统谐波如下（图2-11）：
% ], l/ X  ]5 {; W$ Y

7 G/ \' ]% g# O) n" N                               
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* R2 K6 k: ]* V7 n# z                               
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    图2  ANAPF投入前的电压波形图                           图3  ANAPF投入后的电压波形图

1 R- x, B* ~; `! ~; R                               
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) `: {+ X2 d# v; _! O" i

    图4  ANAPF投入前的电流波形图                             图5   ANAPF投入后的电流波形图

  m; Y; H3 `0 }3 b3 H" h5 {                               
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1 S/ G8 H, Y+ y0 G- C                               
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    图6  ANAPF投入前的电压频谱图                          图7  ANAPF投入后的电压频谱图

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    图8  ANAPF投入前的电流频谱图                                图9  ANAPF投入后的电流频谱图

4 W9 y" e9 D, V$ w* R/ n$ D5 r& D

                               
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8 w7 f& A- c- I5 ~8 n' x# p6 f; R

   图10  ANAPF投入前的电能质量数据                            图11  ANAPF投入后的电能质量数据

    对于现场600V电网的电网质量和功率因数均有较大的改善，通过下面滤波器和无功补偿装置投入前后的数据比较，也可说明改善的效果。

7 ^6 ^' I! C8 l. r                               
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; M" t7 ~+ _. f5  结论
! M& p: l- A4 R% A9 N1 H& l    近年来变频器因为其驱动电动机系统节能明显、调节方便等特点在海洋平台电力系统中得以越来越多的应用，但同时因为它非线性的工作方式产生的高次谐波给海洋平台电网系统带来了一定的影响，对其他电气设备造成损害，其危害已不可忽视，因此带来了海洋平台电力系统谐波分析的必要性和谐波治理的紧迫性。ANAPF系列有源电力滤波器是一种特别适合舰船及钻采等海上平台谐波治理的方案。它的使用，较好地抑制了电网中的谐波污染，极大地改善了电网的电能质量，满足了各设备的运行及GJB151A中CE101项的指标要求，具有较好的推广应用价值。
- o: |# ?/ h. H! @参考文献
/ `8 {3 |+ Y( M; z[ 1 ] 赵慎,魏克新等．海洋采油电力系统[M]．天津:天津科学技术出版社,1992
[ 2 ] 胡铭，陈衍．有源滤波技术及其应用．电力系统自动化[J]，2002，4(3)：66 70
; r, B0 ~/ H( M4 E, g[ 3 ] 吕汀，石红梅．变频技术原理与应用．北京：机械工业出版社，2003
[ 4 ] 国家标准：GB/T-14549-93“电能质量标准”.1993
[ 5 ] 翁海珥，张阳春．新型交流变频电驱动石油钻机[J]，石油矿场机械，2000，29(3)：6-7，l9
[ 6 ]中国国家军用EMC设计标准， GJB151a-97-China' s military EMC design standards, GJB151a-97.
[ 7 ]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版
) `, E: k( J8 x4 b作者简介：
3 J- w" P; A/ V: b1 L0 ?淮亚利，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电。
      《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，本图集结合ANAPF有源电力滤波装置产品的特点，依据电气设计规范，研究消除供配电系统中的高次谐波问题，达到改善供电质量和确保电力系统安全运行的目的。图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。
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