有源濾波裝置在船舶及海洋模塊鉆機(jī)中的應(yīng)用

周新剛，何玉成

(1.中海油能源發(fā)展油建分公司工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心， 天津 300452;2.深圳海億達(dá)電子有限公司， 廣東 深圳 518057)

0 引言

隨著我國(guó)海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，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(lái)越豐富，電站裝機(jī)容量越來(lái)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(lái)越高。變頻器驅(qū)動(dòng)除了能夠滿(mǎn)足對(duì)設(shè)備精確控制外，大量的可控硅、IGBT電子設(shè)備的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波。諧波的危害眾所周知，特別是對(duì)于海上船舶、鉆采平臺(tái)這種電站裝機(jī)容量小的電力孤島，危害更為明顯。

人們也越來(lái)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(guò)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(wèn)題尤為重要。

1 BZ28－2S模塊鉆機(jī)諧波治理

根據(jù)中海油BZ28－2S油田開(kāi)發(fā)需要，在該油田新建的BZ28－2S平臺(tái)上設(shè)置一ZJ50/3150鉆機(jī)，用于初期鉆井、完井作業(yè)以及后期修井、打調(diào)整井和側(cè)鉆井等作業(yè)的要求，該鉆機(jī)現(xiàn)已投入使用。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)諧波分析結(jié)果，系統(tǒng)諧波畸變率達(dá)到了30%左右，因此考慮采用有源濾波裝置對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行治理。該鉆機(jī)電力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 BZ28－2S模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1.1 諧波治理方案選擇

目前電力系統(tǒng)諧波治理主要存在兩大主流方式:無(wú)源濾波和有源濾波。由于變頻器產(chǎn)生的諧波主要是 (6n±1)次諧波，而無(wú)源濾波裝置對(duì)每次諧波都要單獨(dú)設(shè)計(jì)LC單諧振回路，設(shè)計(jì)參數(shù)要跟系統(tǒng)阻抗有關(guān)，無(wú)緣濾波不能對(duì)諧波完全消除，反而存在著放大諧振的危險(xiǎn)，電容的老化也會(huì)使原來(lái)設(shè)計(jì)諧振點(diǎn)偏移而達(dá)不到濾除目標(biāo)諧波的目的，無(wú)緣濾波裝置適合負(fù)荷單一、變化率小的穩(wěn)定場(chǎng)合。

有源濾波可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。其基本原理是從諧波源 (被補(bǔ)償對(duì)象)中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流頻譜，用以抵消諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其核心部分是諧波電流發(fā)生器及其控制系統(tǒng)，其工作靠數(shù)字信號(hào)處理 (DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管 (IGBT)來(lái)完成反向諧波電流的輸出。

與無(wú)源濾波裝置相比，有源濾波裝置具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性?xún)r(jià)比上較為合理，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響。

基于以上分析，我們采用有源濾波裝置進(jìn)行諧波治理。在選型時(shí)，我們采用了具備國(guó)際領(lǐng)先水平的主動(dòng)控制動(dòng)態(tài)諧波注入 (OCDI)技術(shù)的RESINE有源濾波裝置。因?yàn)樗瓤梢杂行V除2－51次諧波，又可以在交流電壓200～690 V之間選擇。從圖1可以看出，作為諧波源的變頻器有多臺(tái)，所以宜采取集中治理的方案，即在2臺(tái)變壓器低壓母線(xiàn)段分別配置一套有源濾波裝置進(jìn)行諧波治理。

1.2 有源濾波裝置補(bǔ)償電流計(jì)算

A段母線(xiàn)負(fù)載共計(jì)1020kW，B段母線(xiàn)負(fù)載共計(jì)1140kW。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，變頻器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，母線(xiàn)處的功率因數(shù)約為0.85。則 A段、B段母線(xiàn)上的最大工作相電流分別為:

對(duì)于本系統(tǒng)，變壓器低壓母線(xiàn)上最大諧波電流，一般按照最大負(fù)荷時(shí)畸變率為30%計(jì)算，即:

按照全濾波方式選擇濾波裝置，A段、B段母線(xiàn)上配備濾波裝置的容量分別為330 A/相、400 A/相。

1.3 濾波效果評(píng)估

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該套有源濾波裝置于2009年9月份在海上投入使用。表1為變頻供電系統(tǒng)A段母線(xiàn) (B段母線(xiàn)略)在濾波裝置投運(yùn)前后 (負(fù)載相同)的測(cè)試數(shù)據(jù)和電壓/電流波形對(duì)比，從中可以看出濾波器投入后對(duì)諧波的抑制效果。

表1 A段母線(xiàn)在濾波裝置投運(yùn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

表1中諧波衰減比:HAR=ILh/ISh，其中，ILh為負(fù)載側(cè)諧波電流，ISh為電源側(cè)諧波電流。濾波裝置投運(yùn)后，若無(wú)法得到負(fù)載側(cè)諧波電流，則HAR近似等于投運(yùn)前諧波電流與投運(yùn)后諧波電流之比。

2 海上孤島電力系統(tǒng)特點(diǎn)

目前船舶和海洋石油生產(chǎn)設(shè)施均是由自備電站供電的電力孤島，與外界電源無(wú)直接聯(lián)系，通常電力孤島機(jī)組容量裝機(jī)小 (幾百千瓦～幾千千瓦)，負(fù)荷率高，具有抗沖擊和干擾能力弱、易振蕩、運(yùn)行方式復(fù)雜等特點(diǎn)。

大功率變頻驅(qū)動(dòng)負(fù)荷占有很大比例，以模塊鉆機(jī)為例，在總共3300kW的總負(fù)荷中，泥漿泵、絞車(chē)、頂驅(qū)這些負(fù)荷為2167kW，所占比例為65%，泥漿泵在工作時(shí)所需功率達(dá)到1560kW，頂驅(qū)、絞車(chē)等這些設(shè)備在工作時(shí)負(fù)載頻繁大量的突加突卸，常規(guī)的拖動(dòng)手段無(wú)法滿(mǎn)足要求。

隨著船舶向大型化、高速化、節(jié)能化、自動(dòng)化和高新化的方向發(fā)展，越來(lái)越多的船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)于浮吊、鋪管船等功能要求高的大型船舶，推進(jìn)定位、錨機(jī)定位系統(tǒng)尤為重要，選用電力推進(jìn)方式不但可以減小體積和質(zhì)量，有利于船舶整體布局，提高船舶的營(yíng)運(yùn)率，同時(shí)可以更合理地選擇螺旋槳尺寸和轉(zhuǎn)速，螺旋槳受到的波浪或冰塊的沖擊不會(huì)直接傳給原動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)駕駛室遙控和駕駛自動(dòng)化。這些電力推進(jìn)系統(tǒng)所需電力占到系統(tǒng)總裝機(jī)容量50%以上。

正是海上電力孤島的裝機(jī)容量小，而孤島系統(tǒng)中大功率變頻驅(qū)動(dòng)裝置又占有很大比例，因此所產(chǎn)生的諧波對(duì)于小容量系統(tǒng)影響將會(huì)更大，相比陸地電網(wǎng)等其他電力網(wǎng)絡(luò)，海上電力孤島的諧波問(wèn)題應(yīng)該引起我們足夠的重視。

3 治理諧波改造

諧波污染是電力系統(tǒng)中不能忽視和回避的問(wèn)題，直接影響供電質(zhì)量和設(shè)備壽命，尤其是采用大功率變頻系統(tǒng)拖動(dòng)的船舶和海上平臺(tái)鉆機(jī)。對(duì)于新建項(xiàng)目可以在設(shè)計(jì)初始就采用諧波抑制手段，但是老系統(tǒng)的改造是我們經(jīng)常面臨的棘手問(wèn)題。

投用初期，系統(tǒng)內(nèi)固有的諧波對(duì)系統(tǒng)影響并不明顯，隨著投用時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，設(shè)備、電纜等也出現(xiàn)正常老化，固有諧波則會(huì)加速老化，不利影響逐漸顯現(xiàn)，造成系統(tǒng)內(nèi)不明原因的跳閘、關(guān)斷等情況，原因排查很困難，而且下次故障很難預(yù)料和判斷，這類(lèi)情況嚴(yán)重影響了船舶和海上模塊鉆機(jī)的正常使用，甚至?xí)?dǎo)致拋錨、停產(chǎn)等嚴(yán)重事故，因此對(duì)于老系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理更為迫切和重要。

對(duì)于老系統(tǒng)諧波改造，首先要利用軟件建立電力系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)整體諧波分析，確定諧波含量，找出系統(tǒng)內(nèi)主要的諧波源，明確國(guó)標(biāo)和船檢對(duì)諧波的相關(guān)要求，再根據(jù)系統(tǒng)波源的分布確定集中治理和分散治理方案，施工安裝后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)整濾波器的參數(shù)設(shè)定，最終達(dá)到將系統(tǒng)諧波控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

目前濾波器實(shí)現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)，單體容量為100～300 A，根據(jù)實(shí)際需要可選擇大容量單體設(shè)備或小容量多級(jí)串聯(lián)連接，這種模塊化的結(jié)構(gòu)極大地降低了安裝施工難度、減少占地空間，對(duì)船舶和海上鉆機(jī)空間非常寶貴的設(shè)施來(lái)說(shuō)很有實(shí)際意義。

4 小結(jié)

采用RESINE有源濾波裝置，在海油平臺(tái)鉆機(jī)模塊上對(duì)變頻供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波抑制、提高電能質(zhì)量，是很有價(jià)值的嘗試，并且收效明顯:諧波電流和諧波電壓降低到了國(guó)標(biāo)允許值以下、功率因數(shù)明顯提高 (12.5%)、能效提高10%以上、減少了對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的污染，取得了令人滿(mǎn)意的成果。同時(shí)也為老系統(tǒng)諧波抑制的改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為解決該類(lèi)問(wèn)題提供了新的思路。

［1］GB/T 14549－1993，電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 ［S］.

［2］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2005.

［3］中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)－電氣分冊(cè)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，1997.