APF對海洋石油平臺電力系統諧波的抑制效果

彭友君 張 慧

APF對海洋石油平臺電力系統諧波的抑制效果

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，在電網電磁暫態仿真程序（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、系統穩定可靠等一系列優勢得到廣泛應用，而這種非線性負荷接入是系統產生諧波的根本原因。諧波對海上石油平臺電氣系統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、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。

本文基于滯環比較方式控制策略在電網電磁暫態仿真程序（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，結果表明滯環比較方式能夠準確快速地實現諧波的檢測與消除，起到很好的動態抑制諧波的作用。

并聯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，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比較方式。由于APF需要實現對系統中諧波電流的實時跟蹤補償，對時間相應特性要求高。因此，本文采用滯環比較方式的PWM跟蹤控制技術。

圖4給出了采用滯環比較方式的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比較環節。

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點。

仿真與實驗結果

仿真模型的搭建是在電網電磁暫態仿真程序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　單相滯環比較PWM電路

圖5　三相電壓型全橋逆變器

圖6　平臺系統接線圖

圖7　A相諧波電流與補償電流

APF接入系統前

圖8　接入APF系統前后電流波形

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

表1　平臺ACB母線三相諧波

由表1中數據可知，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，根據表2，為濾出直流分量，截止頻率選為10Hz。則傳遞函數為：

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

本文基于滯環比較方式控制策略在電網電磁暫態仿真程序（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，結果表明滯環比較方式能夠準確快速地實現諧波的檢測與消除，APF的接入能起到很好的動態抑制諧波的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.001