1、諧波智能濾波裝置在海洋平臺上的應用安科瑞 陳靜燕江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰2144051引言近些年,隨著我國海洋事業的蓬勃發展,海上平臺規模不斷擴大,大型多功能商業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動的電動機所占比例也越來越高。 交流變頻驅動中變頻器的廣泛應用給海洋事業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變頻調速的過程中,由于電力半導體器件的開關特性,在其輸入和輸出側的電壓 和電流中都會出現波形畸變,從而產生了大量的諧波。諧波污染大大增加了電網中發生局部的并聯或者串 聯諧振的可能,使諧

2、波電流放大幾倍甚至幾十倍,產生過電壓或過電流,對繼電保護、計算機、測量和計 量儀器以及通信系統等都有不利的影響。 大量諧波的存在,不僅使船舶發電、輸電和用電設備的效率降低, 而且會使電氣設備過熱,并導致絕緣老化、使用壽命縮短;甚至還會對船舶電力系統中的繼電保護和電力 測量等設備帶來嚴重影響,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、儀表數據波動、電容器過載損壞等現象已日漸引起相關工 作者的關注和警覺,諧波分析和抑制成為海上平臺電力系統設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

3、海上鉆采平臺在設計初始就采用增 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,期間經歷過不同程度 的改造以及設備、電纜等均有不同程度的老化,諧波治理將更為復雜。因此,采用現有成熟可靠的技術和 設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生的諧波污染和低功率因數問題,不外乎兩種途徑:一種是裝設補償裝置,如有源濾 波器、無功功率補償器等,設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,使其不產生諧波,或者少產生諧波,也不消耗無功功率,或根據需要對其功率因數進行調節。后一種 方法需要對現有電力電子裝置進

4、行大規模更新,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設備,并且方法簡單,已得 到廣泛應用。傳統的補償無功功率和諧波的主要手段是設置無功補償電容器和 LC 濾波器, 這兩種方法結構簡單, 既可以 抑制諧波,又可以補償無功功率,一直被廣泛應用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行 狀態影響,易和系統發生并聯諧振,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補償。而隨著電力系統的發展,對無功功率和諧波進行快速動態補償 的需求越來越大。 目前的趨勢是采用電力電子

5、裝置進行諧波補償, 即采用有源濾波器(Active Power Filter, APF 。3.2有源濾波器的優勢有源濾波器的主要優點有:(1有源濾波裝置是一個高阻抗電流源,它的接入對系統阻抗不會產生影響,因此此類裝置適合系列化、 規 模化生產。(2當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大, 不存在與電網阻抗發生諧波的危險, 同時還能抑制 串并聯諧振。(3原理上比 PPF 更為優越, 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。(4實現動態補償, 可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償, 對補償對象的變化有極快的響應速度。(5由于裝置本身能完

6、成輸出限制, 當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發生過載, 并且能正常 發揮作用,不需要與系統斷開。(6具備多種補償功能,可以對無功功率和負序進行補償。(7諧波補償特性不受電網頻率變化的影響。(8可以對多個諧波源進行集中治理。3.3ANAPF 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態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它 能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償, 可克服 LC 濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償 方法的缺點,實現了動態跟蹤補償,是諧波治理和無功補償的最佳選擇,是確保海上平臺電力系統穩定運 行的有力保障。ANAPF 系列

7、有源電力濾波裝置,以并聯的方式接入電網,通過實時檢測負載的諧波和無功分量,采用 PWM 變流技術,從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統,從而實 現諧波治理和無功補償。 (見圖1圖1ANAPF 有源電力濾波裝置的工作原理圖接線方式 三相三線或三相四線接入電壓 3×380V±10%接入頻率 50Hz ±2%動態補償響應時間 動態響應<4ms,全響應時間<20ms;開關頻率 10kHz功能設置 只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功;手動、自動切換。諧波補償次數 2-21次保護類型 直流過壓 IGBT 過流 裝置溫

8、度保護過載保護 自動限流在設定值,不發生過載冷卻方式 智能風冷噪音 <65db(處于柜內并運作于額定狀態工作環境溫度 -10+45工作環境濕度 <85%RH不凝結安裝場合 室內安裝海拔高度 1000m(更高海拔需降容使用 進出線方式 下進下出防護等級 IP21智能通信接口 RS485/MODBUS-RTU遠程監控 可選外形尺寸(mm (W×D×H 30A 50A 75A 100A600×500×1500600×500×1500600×500×1800800×600×2200重量(kg

9、 三相四線 三相三線30A、50A 75A、100A 30A、50A 75A、100A 280360240290 控制器模塊 APFMC-C100主要由:DSP(數字信號處理器 、FPGA 邏輯器件、AD 信號采樣電路、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、電流等信號的采集和處理、指令電流的計算、開關 電路的生成、PWM 信號的輸出、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源濾波器的核心,它決定 了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。 變流器模塊 APFCOV其核心是儲能電容和 IGBT 模塊。變流器的作用主要是將電網的電壓經 IGB

10、T 功率模塊整流后為儲能電容充 電,使母線電壓維持在某個穩定的值,在這個過程中變流器主要工作在整流狀態,當主電路產生補償電流 時,變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的,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品,以確保整機質量。變流器的選擇根據補償電流的大小而有所不同。 電抗器模塊 APF-RE.DG、APF-RE.SDGAPF 電抗器起濾波作用, 濾除 APF 發出的電網不需要的諧波。 電抗器可分為單相和三相, 電流從15A 到200A 等多種規格。人機操作界面 APF-HMIAPF 柜在工作時,系統可以監測其網側電流、 APF 橋臂電流以及負載側電流, 用

11、戶可以通過 HMI 來對 APF 的 運行模式進行設置,對于運行中出現的問題,可以產生對應的事件記錄。HMI 就是我司針對電力系統,工 礦企業, 公用設施,智能大廈的電力監控需求而設計的一種智能儀表, 它采用高亮度 TFT-LCD 彩屏顯示界面, 通過面板按鍵來實現參數設置和控制,集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力 質量參數的分析。配套的電流采樣互感器 AKH-0.66-K1DSP+FPGA全數字控制方式,具有極快的響應時間;2先進的主電路拓撲和控制算法,精度更高、運行更穩定;3一機多能,既可補諧波,又可兼補無功;4模塊化設計,便于生產調試;5便利的并聯設計,方便擴容;

12、6具有完善的橋臂過流、保護功能;7使用方便,易于操作和維護。型號:ANAPF100-400/B參考價格:12萬元/臺主要產品明細:序號 名 稱 型 號 數量 1APF 電氣柜 800X600X220012變流器 APFCOV-CVT10013控制器 APFMC-C10014電抗器 APF-RE.(SDG-10015有源電流互感器 LT208-S736濾波器 DL-1TH127斷路器CVS160FTM160D4P3D 18接觸器 LC1D150M7C 19微型斷路器 NDM1-63C32110中間繼電器 MY4NAC 211R 型變壓器 R320-0.38/0.22112諧波檢測儀 ACR350

13、EGH 113電線 16mm2若干 14電線4mm2若干4ANAPF 有源電力濾波裝置的應用實例中海油某油田開發項目采用 VFD 電氣傳動控制系統 (交流調速傳動控制 , 變頻驅動電鉆機時產生了大量的 諧波, 實測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償的設備。但 VFD 系統的 功率因數較高,一般在0.8左右,針對此系統特點,擬只用有源濾波器來抑制諧波,而不設置動態無功功率 補償裝置。經過計算及慎重考慮后,用戶選定了安科瑞公司的 ANAPF 系列有源電力濾波裝置進行諧波治理。 ANAPF100-400/B投入運行前后的系統諧波如下(圖2-11 : 圖2ANAPF 投入前的電壓波形圖 圖3ANAPF 投入后的電壓波形圖 圖4ANAPF 投入前的電流波形圖 圖5ANAPF 投入后的電流波形圖 圖6ANAPF 投入前的電壓頻譜圖 圖7ANAPF 投入后的電壓頻譜圖 圖8ANAPF 投入前的電流頻譜圖 圖9ANAPF 投入后的電流頻譜 圖圖10ANAPF 投入前的電能質量數據 圖11ANAPF 投入后的電能質量數 據對于現場600V 電網的電網質量和功率因數均有較大的改善,通