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(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)、測量和計(jì)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(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?。目前的趨?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）
3.3.2 技術(shù)參數(shù)
| 接線方式 | 三相三線或三相四線 | |||
| 接入電壓 | 3×380V ±10% | |||
| 接入頻率 | 50Hz ±2% | |||
| 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間 | 動(dòng)態(tài)響應(yīng)＜4ms，全響應(yīng)時(shí)間＜20ms； | |||
| 開關(guān)頻率 | 10kHz | |||
| 功能設(shè)置 | 只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無功；手動(dòng)、自動(dòng)切換。 | |||
| 諧波補(bǔ)償次數(shù) | 2-21次 | |||
| 保護(hù)類型 | 直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護(hù) | |||
| 過載保護(hù) | 自動(dòng)限流在設(shè)定值，不發(fā)生過載 | |||
| 冷卻方式 | 智能風(fēng)冷 | |||
| 噪音 | ＜ 65db（處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài)） | |||
| 工作環(huán)境溫度 | -10℃～+45℃ | |||
| 工作環(huán)境濕度 | ＜85%RH 不凝結(jié) | |||
| 安裝場合 | 室內(nèi)安裝 | |||
| 海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） | |||
| 進(jìn)出線方式 | 下進(jìn)下出 | |||
| 防護(hù)等級(jí) | IP21 | |||
| 智能通信接口 | RS485/MODBUS-RTU | |||
| 遠(yuǎn)程監(jiān)控 | 可選 | |||
| 外形尺寸（mm） （W×D×H） | 30A | 50A | 7 | 100A |
| 600×500×1500 | 600×500×1500 | 600×500×1800 | 800×600×2200 | |
| 重量（kg） | 三相四線 | 三相三線 | ||
| 30A、50A | 7、100A | 30A、50A | 7、100A | |
| 280 | 360 | 240 | 290 | |
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1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(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，通過面板按鍵來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測量、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，具有快的響應(yīng)時(shí)間；
l 的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀?、運(yùn)行更穩(wěn)定；
l 一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；
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
| 型號(hào)：ANAPF100-400/B | |||
| 參考價(jià)格：12萬元/臺(tái) | |||
| 主要產(chǎn)品明細(xì)： | |||
| 序號(hào) | 名 稱 | 型 號(hào) | 數(shù)量 |
| 1 | APF電氣柜 | 800X600X2200 | 1 |
| 2 | 變流器 | APFCOV-CVT100 | 1 |
| 3 | 控制器 | APFMC-C100 | 1 |
| 4 | 電抗器 | APF-RE.（S）DG-100 | 1 |
| 5 | 有源電流互感器 | LT208-S7 | 3 |
| 6 | 濾波器 | DL-1TH1 | 2 |
| 7 | 斷路器 | CVS160FTM160D4P3D | 1 |
| 8 | 接觸器 | LC1D150M7C | 1 |
| 9 | 微型斷路器 | NDM1-63C32 | 1 |
| 10 | 中間繼電器 | MY4NAC | 2 |
| 11 | R型變壓器 | R320-0.38/0.22 | 1 |
| 12 | 諧波檢測儀 | ACR350EGH | 1 |
| 13 | 電線 | 16mm2 | 若干 |
| 14 | 電線 | 4mm2 | 若干 |
4 ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用實(shí)例
中海油某油田開發(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(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抑制諧波，而不設(shè)置動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。
經(jīng)過計(jì)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(yùn)行前后的系統(tǒng)諧波如下（圖2-11）：
對(duì)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，通過下面濾波器和無功補(bǔ)償裝置投入前后的數(shù)據(jù)比較，也可說明的效果。
5 結(jié)論
近年來變頻器因?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)諧波治理的方案。它的使用，較好地抑制了電網(wǎng)中的諧波污染，大地了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，滿足了各設(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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[ 6 ]中國國家軍用EMC設(shè)計(jì)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(cè).2013.01.版
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