詳解有源濾波裝置在海洋平臺上的應(yīng)用

　1 引言

　　近些年，隨著我國海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海上平臺規(guī)模不斷擴大，大型多功能商業(yè)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(qū)動的電動機所占比例也越來越高。交流變頻驅(qū)動中變頻器的廣泛應(yīng)用給海洋事業(yè)帶來了巨大的收益的同時，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(xiàn)變頻調(diào)速的過程中，由于電力半導體器件的開關(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，對繼電保護、計算機、測量和計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，而且會使電氣設(shè)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(tǒng)中的繼電保護和電力測量等設(shè)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(shù)據(jù)波動、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電力系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(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)補償裝置，如有源濾波器、無功功率補償器等，設(shè)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(chǎn)生諧波，或者少產(chǎn)生諧波，也不消耗無功功率，或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)。后一種方法需要對現(xiàn)有電力電子裝置進行大規(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)的補償無功功率和諧波的主要手段是設(shè)置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)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(tài)補償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。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(yōu)勢

　　有源濾波器的主要優(yōu)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(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)模化生產(chǎn)。

　　(2)當電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(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，同時還能抑制串并聯(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。