APF對海洋石油平臺電力系統(tǒng)諧波的抑制效果

彭友君 張 慧

APF對海洋石油平臺電力系統(tǒng)諧波的抑制效果

彭友君 張 慧

海上石油平臺中變頻器的接入會產生大量諧波。為抑制諧波本文基于滯環(huán)比較方式控制策略，以錦州南油氣田某平臺為研究對象，在電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建有源濾波器（APF）的仿真模型，分析APF的接入對系統(tǒng)電能質量的影響，仿真結果驗證了APF的接入對諧波治理的有效性。

在海洋石油平臺上，變頻器因其調速范圍寬、精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等一系列優(yōu)勢得到廣泛應用，而這種非線性負荷接入是系統(tǒng)產生諧波的根本原因。諧波對海上石油平臺電氣系統(tǒng)的危害主要存在以下兩個方面：一方面會影響各種電氣設備的使用壽命，另一方面會干擾計算機、繼電保護、控制系統(tǒng)、儀表以及視聽設施的正常運行。諧波是關系供電質量的重要問題，為了減少諧波影響，最根本的思想是從產生諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近減小諧波。有效方法是裝設交流濾波器。

本文基于滯環(huán)比較方式控制策略在電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建了有源濾波器模型，并結合海洋石油遼東作業(yè)公司某平臺對其接入的效果進行了仿真研究，結果表明滯環(huán)比較方式能夠準確快速地實現(xiàn)諧波的檢測與消除，起到很好的動態(tài)抑制諧波的作用。

并聯(lián)有源濾波器的模型建立

諧波檢測

以瞬時無功功率理論為基礎，通過坐標變換和相應的計算得到適用于APF諧波和無功電流的實時檢測方法——Ip-Iq法。

定義兩相同步旋轉坐標軸d-q，且無功軸q軸與電網(wǎng)電壓相量重合，有功軸d軸滯后q軸90°。顯然，電流相量在q軸和d軸上的投影分別為需要檢測的無功電流iq和有功電流id，如圖1所示。

圖1　瞬時無功、有功電流分解

圖2中PLL為鎖相環(huán)，它能使輸出相位和參考相位之間的相位差減小到最小。T32和T分別為ab-c坐標系到坐標系變換矩陣以及坐標系到d-q坐標系變換矩陣，和T-1為分別二者的反變換矩陣。通過坐標變換可以將靜止坐標系ab-c中的基波電流變換成旋轉坐標系d-q中的直流電流。若a-b-c坐標中電流含有諧波，則d-q坐標中電流也含有諧波。采用低通濾波器（LPF）濾去諧波分量后即輸出直流分量再通過逆變換得到a-bc坐標系下基波三相電流ia1、ib1和ic1。用電網(wǎng)電流iLa、iLb和iLc與基波電流相減就得到諧波電流iah、ibh和ich，經(jīng)反相后作為PWM控制模塊的指令電流iaf、ibf和icf。

由于id和iq中既包含工頻轉化得到的直流分量又包含諧波轉化得到的交流分量，為實現(xiàn)諧波檢測與補償，需將直流量通過低通濾波器提取出來。本文采用如圖3所示的巴特沃茲型低通濾波器。

電流控制

PWM的控制方式有：三角波比較方式和滯環(huán)比較方式。由于APF需要實現(xiàn)對系統(tǒng)中諧波電流的實時跟蹤補償，對時間相應特性要求高。因此，本文采用滯環(huán)比較方式的PWM跟蹤控制技術。

圖4給出了采用滯環(huán)比較方式的PWM電流跟蹤控制單相半橋式逆變電路原理圖。

將三個單相半橋電路組成即可得到三相滯環(huán)比較環(huán)節(jié)。

PWM逆變器

本文采用如圖5所示的三相電壓型全橋式逆變器，其具有電路拓撲簡單、易于控制、功率開關電壓應力低等優(yōu)點。

仿真與實驗結果

仿真模型的搭建是在電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序DDRTS中進行的。以遼東某平臺中開關ACB處為研究對象，分析變頻器對電能質量的影響，以及APF的接入對諧波抑制作用。某平臺由一座中心平臺（CEPA）和1座井口平臺（WHPB）組成。其部分系統(tǒng)接線如圖6所示。

圖2　Ip-Iq檢測法

圖3　巴特沃茲低通濾波器

圖4　單相滯環(huán)比較PWM電路

圖5　三相電壓型全橋逆變器

圖6　平臺系統(tǒng)接線圖

圖7　A相諧波電流與補償電流

APF接入系統(tǒng)前

圖8　接入APF系統(tǒng)前后電流波形

在平臺中進行在線監(jiān)測分析各處諧波含量，開關ACB處三相電流各次諧波數(shù)據(jù)如表1所示（列寫到7次諧波）。

表1　平臺ACB母線三相諧波

由表1中數(shù)據(jù)可知，諧波主要由5次和7次構成，且5次、7次諧波均超過國標允許值，其中7次諧波尤為嚴重，超出國標值5倍。這主要是因為系統(tǒng)中變頻器采用6脈沖整流技術，運行時產生5、7、11、13、…等（6n士1）次諧波電流。

設置仿真時間10s，設定APF在0.2s時刻接入開關ACB所在的400V母線處。APF的諧波檢測模塊中選用3階巴特沃茲低通濾波器，根據(jù)表2，為濾出直流分量，截止頻率選為10Hz。則傳遞函數(shù)為：

圖7中I_sa表示諧波檢測模塊檢測到的A相諧波電流（已反相，方便對比），圖8上部波形為諧波模塊檢測A相諧波電流，下部波形表示APF輸出的A相補償電流。

圖7中可以看出補償電流與諧波電流的波形大小相等，方向相反。

圖8為ACB母線側接入三相電流補償效果對比。在0.2s時刻投入APF后，可以看出之后諧波電流明顯減少，補償效果明顯。

結論

本文基于滯環(huán)比較方式控制策略在電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建了有源濾波器模型，并結合遼東作業(yè)公司某平臺對其接入的前后效果進行了仿真研究，結果表明滯環(huán)比較方式能夠準確快速地實現(xiàn)諧波的檢測與消除，APF的接入能起到很好的動態(tài)抑制諧波的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.001