深水鉆井船的電網(wǎng)諧波抑制研究

茌宏理，竇金生

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

深水鉆井船的電網(wǎng)諧波抑制研究

茌宏理，竇金生

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

針對(duì)深水鉆井船的電網(wǎng)諧波抑制問題，采用并聯(lián)有源濾波的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波抑制。通過用matlab軟件構(gòu)建一個(gè)并聯(lián)型有源電力濾波器，來(lái)模擬并聯(lián)型有源電力濾波器減少電網(wǎng)諧波的實(shí)驗(yàn)，并與未經(jīng)過濾波器處理的仿真波形進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

鉆井船；電網(wǎng)；諧波；并聯(lián)型有源電力濾波器

近年來(lái)，油田的開采[8-10]從淺海到深海逐漸發(fā)展，電力負(fù)載也逐漸增大，電力電子技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，因而電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置自身所具有的非線性也會(huì)改變?cè)械碾娋W(wǎng)電壓和電流，通常認(rèn)為電力系統(tǒng)諧波污染的程度與非線性設(shè)備數(shù)量和額定容量成正比[1-3]。目前，非線性設(shè)備數(shù)量和額定容量都在相應(yīng)的增加，因此電力系統(tǒng)中的諧波危害問題也日益加重，已經(jīng)成為了制約電能質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，并極大的危害了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，而另一方面優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量需求存在于供電方及其電力系統(tǒng)設(shè)備，用戶及其用電器，這一矛盾使得人們對(duì)諧波危害問題越來(lái)越重視。據(jù)某日?qǐng)?bào)報(bào)道，我國(guó)因?yàn)殡娔苜|(zhì)量較差問題帶來(lái)了每年高達(dá)400多億元的電能損失，冶金，礦山，鐵路等企業(yè)的大量非線性設(shè)備及較大的額定容量造成諧波指標(biāo)嚴(yán)重超出正常值，因諧波問題導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電甚至電力系統(tǒng)解列等事故也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在媒體的報(bào)道中。從而，我們更應(yīng)該深入對(duì)電力系統(tǒng)的諧波研究，降低由諧波問題帶來(lái)的危害。具有高度可控性、快速響應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)的有源電力濾波器逐步被研發(fā)，能對(duì)諧波造成變化的頻率和幅值都進(jìn)行補(bǔ)償，因而有源電力濾波器受到廣泛的重視。

1　有源電力濾波器的工作原理

諧波的抑制為專家和工程技術(shù)人員提出了一個(gè)重要的課題。一般來(lái)說，抑制諧波可以從兩個(gè)方面入手，一是減少諧波的產(chǎn)生，二是安裝諧波補(bǔ)償裝置。

電力電子裝置是電力系統(tǒng)中最重要的諧波源，而在電力電子裝置中，整流器又占最大的比例。所以，可將整流器視為最主要的諧波源。減少諧波就是要是整流器不產(chǎn)生諧波，并且功率因素達(dá)到1。這種整流器稱為高功率因素整流器。目前，高功率因素整流器多半采用PWM整流技術(shù)。

其中之一是LC調(diào)諧濾波器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率。是一種應(yīng)用廣泛的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器的作用是濾除高次諧波。一般情況下，單調(diào)諧波濾波器用于濾除某個(gè)奇次諧波，若要濾除幾個(gè)奇次諧波，則要相應(yīng)地用幾個(gè)單調(diào)諧濾波器的并聯(lián)，如果要濾除偶次諧波，則要采用偶此諧波濾波器，對(duì)于幅值較小的高次諧波，可以采用高通濾波器將其一并濾除。其缺點(diǎn)是只能對(duì)某一個(gè)固定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，若要對(duì)多次諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采用多個(gè)LC調(diào)諧濾波器，其結(jié)構(gòu)變得相當(dāng)復(fù)雜。另外，LC調(diào)諧濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響較大，極易與系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波電流放大，造成LC調(diào)諧濾波器被燒毀。LC濾波器通常又稱為無(wú)源濾波器[4-7]。

圖1所示，U為電網(wǎng)電壓，Z為電網(wǎng)負(fù)載，其中由電流檢測(cè)部分、PWM部分和主電路部分組成有源電力濾波器。電流檢測(cè)器的是用來(lái)檢測(cè)負(fù)載中的無(wú)功電流分量和電流諧波分量，PWM為逆變電路的控制電路，主電路是用來(lái)對(duì)功率雙向傳輸?shù)哪孀冸娐?，PWM部分和主電路部分是用來(lái)補(bǔ)償負(fù)載中的無(wú)功電流分量和電流諧波分量。

圖1　有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)原理圖

電網(wǎng)電流IS由有負(fù)載電流IL和補(bǔ)償電流IC兩部分組成，即

由于IC跟蹤指令信號(hào)I*C，所以IC=I*C，那么

由于IC是通過把負(fù)載電流IL中的諧波電流分量In和無(wú)功電流分量Iq相加，即

由于IL=Ip+Iq+In，Ip是基波分量。所以IS=IL-（In+Iq）=Ip。

由此可知，有源電力濾波器對(duì)諧波分量進(jìn)行了抑制和對(duì)無(wú)功電流分量進(jìn)行了補(bǔ)償。根據(jù)逆變器在直流所用的儲(chǔ)能元件的不同，有源電力濾波器可以分為兩種類型，儲(chǔ)能元件為電容器時(shí)，為電壓型有源電力濾波器。他的優(yōu)點(diǎn)是效率高，是常采用的一種形式。儲(chǔ)能元件為電感器時(shí)，為電流型有源電力濾波器。由于儲(chǔ)能電感器中有電流流過，會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，效率較低。

文中要重點(diǎn)介紹的濾波裝置，它由VMOS，IGBT等開關(guān)器件組成的，采取PWM控制方式的諧波電流發(fā)生器，它可以產(chǎn)生幅值，相位和頻率均可變的諧波電流，用以抵消電網(wǎng)中相應(yīng)的諧波電流。另外，還可以用來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功功率。有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，并且對(duì)諧波分量實(shí)現(xiàn)跟蹤補(bǔ)償，在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。并聯(lián)型有源電力濾波器的原理框圖如圖2所示:

圖2　并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖

2　實(shí)例仿真

2.1并聯(lián)型有源電力濾波器仿真

文中以深水鉆井船電網(wǎng)為構(gòu)架，采用并聯(lián)型有源電力濾波器來(lái)抑制電網(wǎng)諧波。將封裝成的并聯(lián)型有源電力濾波器的子系統(tǒng)連接到含有非線性負(fù)載的電網(wǎng)中進(jìn)行仿真。在該仿真中，包含電網(wǎng)電源，并聯(lián)型有源電力濾波器，三相斷路器，整流電路（非線性負(fù)載）。如圖3所示，電網(wǎng)電源參數(shù)設(shè)置中，電壓值：4 160*sqrt（2）/sqrt（3）；A相位：0度；B相位：-120度；C相位：120度；頻率：60 Hz；該電網(wǎng)起初，電壓和電流都是呈正弦狀的波形，但一旦接入諧波源，也就是程序中的整流裝置后，產(chǎn)生大量的諧波，使電網(wǎng)電流發(fā)生畸變，使電網(wǎng)質(zhì)量受到影響。

圖3　并聯(lián)型有源電力濾波器仿真模型圖

2.2仿真分析

圖4是未經(jīng)過濾波器處理后負(fù)載電流的波形圖。

圖4　負(fù)載電流變化仿真圖

圖5是經(jīng)過濾波器處理后的負(fù)載電流的波形圖。

圖5　電網(wǎng)電流變化仿真圖

從圖4中我們可以看到波形發(fā)生了畸形，嚴(yán)重的偏離了原始的電網(wǎng)電流的正弦波。如論是改變諧波源的電流大小，還是諧波源的投入使用個(gè)數(shù)，諧波總是存在，電網(wǎng)電流的波形呈現(xiàn)出不對(duì)稱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所要求的正弦波形狀，此時(shí)的電網(wǎng)質(zhì)量是很差的。當(dāng)接入有源電力濾波后，如圖5所示可知電網(wǎng)電流的波形由原來(lái)的形狀不規(guī)則，變?yōu)檎也?。雖然在仿真過程中，經(jīng)過了諧波源的電流大小和諧波源個(gè)數(shù)的變化，但是這不會(huì)影響濾波器的處理功能，它能很好的對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。

3　結(jié)　論

深水鉆井船的負(fù)載通常都非常大，尤其是推進(jìn)負(fù)載和鉆井負(fù)載。一旦這些大型負(fù)載接入到電網(wǎng)中，產(chǎn)生的諧波危害也是十分巨大的，嚴(yán)重的影響到了船舶電能質(zhì)量。因此，通過對(duì)電網(wǎng)中的非線性負(fù)載與并聯(lián)型有源濾波器相連接可以非常有效的抑制諧波，從而可以提高電能質(zhì)量，進(jìn)一步提高了鉆井船的安全運(yùn)行。

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The deepwater drilling ship power grid harmonic suppression research

CHI Hong-li，DOU Jin-sheng
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Aimed at the deepwater drilling ship power grid harmonic suppression，using the parallel active power filter control method to realize harmonic suppression.By using matlab software to build a shunt active power filter，to simulate the shunt active power filter to reduce experiment of the harmonic wave in the power grid.Filter processing simulation waveforms and without filter processing simulation waveforms are analyzed.The simulation results verify the feasibility of the method.

drilling ship；power grid；harmonic；shunt active power filter

TN97

A

1674－6236（2016）21-0160-02

2015-11-03稿件編號(hào)：201511026

茌宏理（1989—），男，江蘇徐州人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。