周新剛，何玉成

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

0 引言

隨著我國海洋事業(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(qū)動的電動機所占比例也越來越高。變頻器驅(qū)動除了能夠滿足對設(shè)備精確控制外，大量的可控硅、IGBT電子設(shè)備的應(yīng)用勢必會在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波。諧波的危害眾所周知，特別是對于海上船舶、鉆采平臺這種電站裝機容量小的電力孤島，危害更為明顯。

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海上鉆采平臺在設(shè)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(jīng)歷過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諧波問題尤為重要。

1 BZ28－2S模塊鉆機諧波治理

根據(jù)中海油BZ28－2S油田開發(fā)需要，在該油田新建的BZ28－2S平臺上設(shè)置一ZJ50/3150鉆機，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，該鉆機現(xiàn)已投入使用。在設(shè)計階段，根據(jù)諧波分析結(jié)果，系統(tǒng)諧波畸變率達到了30%左右，因此考慮采用有源濾波裝置對系統(tǒng)諧波進行治理。該鉆機電力系統(tǒng)見圖1。

圖1 BZ28－2S模塊鉆機電力系統(tǒng)簡圖

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，而無源濾波裝置對每次諧波都要單獨設(shè)計LC單諧振回路，設(shè)計參數(shù)要跟系統(tǒng)阻抗有關(guān)，無緣濾波不能對諧波完全消除，反而存在著放大諧振的危險，電容的老化也會使原來設(shè)計諧振點偏移而達不到濾除目標諧波的目的，無緣濾波裝置適合負荷單一、變化率小的穩(wěn)定場合。

有源濾波可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。其基本原理是從諧波源 (被補償對象)中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，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)字信號處理 (DSP)技術(shù)控制快速絕緣雙極晶體管 (IGBT)來完成反向諧波電流的輸出。

與無源濾波裝置相比，有源濾波裝置具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理，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行諧波治理。在選型時，我們采用了具備國際領(lǐng)先水平的主動控制動態(tài)諧波注入 (OCDI)技術(shù)的RESINE有源濾波裝置。因為它既可以有效濾除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，所以宜采取集中治理的方案，即在2臺變壓器低壓母線段分別配置一套有源濾波裝置進行諧波治理。

1.2 有源濾波裝置補償電流計算

A段母線負載共計1020kW，B段母線負載共計1140kW。根據(jù)實際經(jīng)驗，變頻器帶負載運行時，母線處的功率因數(shù)約為0.85。則 A段、B段母線上的最大工作相電流分別為:

對于本系統(tǒng)，變壓器低壓母線上最大諧波電流，一般按照最大負荷時畸變率為30%計算，即:

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

1.3 濾波效果評估

經(jīng)過現(xiàn)場調(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 (B段母線略)在濾波裝置投運前后 (負載相同)的測試數(shù)據(jù)和電壓/電流波形對比，從中可以看出濾波器投入后對諧波的抑制效果。

表1 A段母線在濾波裝置投運前后測試數(shù)據(jù)對比

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

2 海上孤島電力系統(tǒng)特點

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，與外界電源無直接聯(lián)系，通常電力孤島機組容量裝機小 (幾百千瓦～幾千千瓦)，負荷率高，具有抗沖擊和干擾能力弱、易振蕩、運行方式復雜等特點。

大功率變頻驅(qū)動負荷占有很大比例，以模塊鉆機為例，在總共3300kW的總負荷中，泥漿泵、絞車、頂驅(qū)這些負荷為2167kW，所占比例為65%，泥漿泵在工作時所需功率達到1560kW，頂驅(qū)、絞車等這些設(shè)備在工作時負載頻繁大量的突加突卸，常規(guī)的拖動手段無法滿足要求。

隨著船舶向大型化、高速化、節(jié)能化、自動化和高新化的方向發(fā)展，越來越多的船舶采用電力推進系統(tǒng)，對于浮吊、鋪管船等功能要求高的大型船舶，推進定位、錨機定位系統(tǒng)尤為重要，選用電力推進方式不但可以減小體積和質(zhì)量，有利于船舶整體布局，提高船舶的營運率，同時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直接傳給原動機，實現(xiàn)駕駛室遙控和駕駛自動化。這些電力推進系統(tǒng)所需電力占到系統(tǒng)總裝機容量50%以上。

正是海上電力孤島的裝機容量小，而孤島系統(tǒng)中大功率變頻驅(qū)動裝置又占有很大比例，因此所產(chǎn)生的諧波對于小容量系統(tǒng)影響將會更大，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)拖動的船舶和海上平臺鉆機。對于新建項目可以在設(shè)計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)常面臨的棘手問題。

投用初期，系統(tǒng)內(nèi)固有的諧波對系統(tǒng)影響并不明顯，隨著投用時間越來越長，設(shè)備、電纜等也出現(xiàn)正常老化，固有諧波則會加速老化，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料和判斷，這類情況嚴重影響了船舶和海上模塊鉆機的正常使用，甚至會導致拋錨、停產(chǎn)等嚴重事故，因此對于老系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理更為迫切和重要。

對于老系統(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，明確國標和船檢對諧波的相關(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，施工安裝后進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)整濾波器的參數(shù)設(shè)定，最終達到將系統(tǒng)諧波控制在標準允許范圍內(nèi)。

目前濾波器實現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)，單體容量為100～300 A，根據(jù)實際需要可選擇大容量單體設(shè)備或小容量多級串聯(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，對船舶和海上鉆機空間非常寶貴的設(shè)施來說很有實際意義。

4 小結(jié)

采用RESINE有源濾波裝置，在海油平臺鉆機模塊上對變頻供電系統(tǒng)進行諧波抑制、提高電能質(zhì)量，是很有價值的嘗試，并且收效明顯:諧波電流和諧波電壓降低到了國標允許值以下、功率因數(shù)明顯提高 (12.5%)、能效提高10%以上、減少了對上級電網(wǎng)的污染，取得了令人滿意的成果。同時也為老系統(tǒng)諧波抑制的改造提供了寶貴經(jīng)驗，為解決該類問題提供了新的思路。

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

［2］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2005.

［3］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊－電氣分冊［M］.國防工業(yè)出版社，1997.