張義鋒

摘 要：本文首先闡述了有源濾波器（Active Power Filter，APF）的基本工作原理，并與無源濾波器（Passive Power Filter，PF）的特性進(jìn)行了比較，進(jìn)一步分析了APF的優(yōu)勢與作用，接著以某海上油田平臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)例仿真，分別驗(yàn)證了APF與PF對海上平臺(tái)電能質(zhì)量改善的效果，然后進(jìn)行APF與PF應(yīng)用效果比較分析，結(jié)果表明，與PF相比，APF在諧波抑制方面的效果尤為顯著，同時(shí)還具有提高功率因數(shù)、降低損耗等功能。

關(guān)鍵詞：海上平臺(tái);電能質(zhì)量;APF;應(yīng)用效果

0 引言

海上平臺(tái)主要用于海上油氣勘探開發(fā)，也因此應(yīng)用了大量泵型大型電動(dòng)機(jī)，在此背景下，其電力系統(tǒng)電能質(zhì)量存在的主要問題[1-3]有以下幾點(diǎn)：①為了控制電動(dòng)機(jī)工作，大量變頻器被使用，導(dǎo)致海上平臺(tái)電網(wǎng)電流諧波的污染嚴(yán)重，容易造成設(shè)備誤動(dòng)作、設(shè)備自動(dòng)跳閘、甚至元件燒毀等故障;②大功率交流電機(jī)的使用，使得供電電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低，目前一般使用獨(dú)立的無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行電壓調(diào)節(jié);③沖擊性負(fù)荷給供電電網(wǎng)造成的電壓波動(dòng)甚至閃變等。有源濾波器能同時(shí)滿足諧波抑制與無功補(bǔ)償功能，有效改善電能質(zhì)量，尤其適用于海上平臺(tái)電力系統(tǒng)的場景，此外，鑒于APF一機(jī)多能的特點(diǎn)，應(yīng)用APF還能提高經(jīng)濟(jì)效益性。

1 有源濾波器的基本工作原理

APF是一種能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、抑制諧波的新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，彌補(bǔ)了無源電力濾波器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償和諧波抑制裝置的局限。APF的基本原理主要通過外部電流互感器CT，實(shí)時(shí)檢測改善對象的電壓和電流，經(jīng)內(nèi)部的運(yùn)算電路計(jì)算得到一個(gè)與諧波源大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流，然后與改善對象中待補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流和電壓。

如圖1所示，通過諧波電流檢測電路模塊采集負(fù)載電流信號(hào)，并將諧波成分分離，然后諧波成分被傳輸?shù)娇刂齐娐返倪\(yùn)算電路中，運(yùn)算電路將采集到的諧波電流成分與APF輸出補(bǔ)償電流進(jìn)行比較，得到的差值作為實(shí)時(shí)補(bǔ)償信號(hào)輸出到PWM逆變電路中，觸發(fā)逆變電路中的逆變器將補(bǔ)償諧波電流注入到電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)濾除諧波的效果。

2 有源濾波器的特點(diǎn)與作用

目前廣泛應(yīng)用的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置是LC諧振型PF，該類PF具有成本低廉、容量大、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，通常由電力電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，其原理主要是根據(jù)電阻、電容固有的阻抗特性，對某一特定頻率的諧波呈低阻抗性，使該頻率下的諧波流入濾波器，不注入電網(wǎng)達(dá)到濾波效果，因此無源濾波器只能消除特定頻次諧波。其性能參數(shù)與阻抗特性相關(guān)，容易受系統(tǒng)阻抗特性影響，對抑制諧波次數(shù)多變的負(fù)載諧波效果不好，嚴(yán)重可能會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，使LC濾波器過載甚至燒毀。

隨著大功率可關(guān)斷器件（GTR，GTO，IGBT等）的技術(shù)不斷進(jìn)步，作為抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置APF得到迅速發(fā)展，與PF比較，APF的特點(diǎn)與作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①實(shí)時(shí)抑制諧波，APF能快速響應(yīng)負(fù)荷的變化整體變化及諧波含量變化，迅速實(shí)現(xiàn)完全跟蹤補(bǔ)償，可以高效地濾除負(fù)載中2～25次等高次電流諧波;

②動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功，抑制電壓波動(dòng)與閃變，無功補(bǔ)償時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)無功的大小;

③改善三相負(fù)載不平衡，在設(shè)備容量充裕的情況下，可自定義設(shè)定諧波補(bǔ)償與無功補(bǔ)償容量分配比例，達(dá)到改善電力系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡的目的;

④不受電網(wǎng)阻抗影響的影響，可在容量允許范圍內(nèi)，有效抑制電網(wǎng)諧振;

⑤補(bǔ)償過程中，應(yīng)用儲(chǔ)能元件的容量需求較小;

⑥能適用于電流過大的補(bǔ)償對象;

⑦既適用單個(gè)補(bǔ)償對象，也能進(jìn)行多個(gè)補(bǔ)償對象集中補(bǔ)償;

⑧具備過流、過壓、欠壓、高溫、測量電路故障、雷擊等多種保護(hù)功能，以確保裝置和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行;

⑨負(fù)載較輕時(shí)能自動(dòng)退出運(yùn)行，具有良好的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性。

3 濾波器的應(yīng)用效果實(shí)例分析

以渤海海域某油田群的電力系統(tǒng)為例，在該海上油田平臺(tái)電網(wǎng)上分別進(jìn)行安裝無源濾波器以及有源濾波器，通過電能質(zhì)量測試儀對相關(guān)指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行檢測，分別得到接入調(diào)節(jié)裝置前、接入無源濾波器后以及接入有源濾波器后的測試數(shù)據(jù)如下表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：功率層面，APF有功功率上升14kW，主要是由APF自身功耗及功率因數(shù)調(diào)節(jié)后系統(tǒng)功率波動(dòng)造成，由于消除了諧波電流所耗功率，因此視在功率下降了44kW，功率因數(shù)由0.93提高到0.97;PF有功功率下降14kW，主要是由PF自身功耗及功率因數(shù)調(diào)節(jié)后系統(tǒng)功率波動(dòng)造成，由于消除了諧波電流所耗功率，因此視在功率下降了87kW，功率因數(shù)由0.93提高到0.98;比較兩者功率和功率因數(shù)變化，可發(fā)現(xiàn)APF自身功耗相較PF會(huì)稍高，兩者均有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

電流層面，APF電流畸變率由26.30%改善后為7.2%，畸變率降低了19.10%;PF電流畸變率由26.30%改善后為13.9%，畸變率降低了12.4%。APF改善電流畸變的效果是PF的1.54倍。

電壓層面，APF電壓畸變率由原來10.7%改善為2.5%，降低了6.9%;PF電流畸變率由10.7%改善后為8.5%，畸變率降低了2.2%;APF改善電壓畸變的效果是PF的3.14倍。

由圖2可看出，經(jīng)過APF調(diào)節(jié)后5、7、11、13次諧波分別降低了355.7A、108.9A、49.0A、40.8A，7、11、13次諧波電流已經(jīng)趨于0;而經(jīng)過PF調(diào)節(jié)后5，7，11，13次諧波分別降低了269.0A、18.4A、18.4A、30.1A。由圖中可看出，PF對于7次諧波電流改善程度較差，由此可見，PF存在著某特定頻次諧波無法消除的弊端，而APF對各頻次諧波電流都有較大程度的消除效果。綜上，無源濾波器與有源濾波器都對諧波產(chǎn)生了抑制作用，但有源濾波器的效果更為顯著。

由圖3、圖4可發(fā)現(xiàn)APF投運(yùn)后，負(fù)載的電流波形由原來未投運(yùn)APF時(shí)的鋸齒狀改善為正常的正弦波。

4 結(jié)束語

通過闡述有源濾波器的基本工作原理，并與無源濾波器的特性進(jìn)行比較，分析得到APF具備實(shí)時(shí)抑制諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功、改善三相負(fù)載不平衡等功能，接著以某海上油田平臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)例仿真，通過APF與PF對海上平臺(tái)電能質(zhì)量改善效果的驗(yàn)證與比較分析，結(jié)果表明，PF與APF同時(shí)具有提高功率因數(shù)、補(bǔ)償無功、降低損耗等功能，但PF存在著某特定頻次諧波無法消除的弊端，不及APF諧波抑制效果明顯。而海上油田平臺(tái)最顯著的電能質(zhì)量問題是諧波污染嚴(yán)重，因此，安裝APF更有利于改善海上油田平臺(tái)的電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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[3]吳飛.有源濾波器在海上油氣田電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].大科技，2016（33）：99-100.