APF在海上平臺電能質量改善中的應用效果

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）的特性進行了比較，進一步分析了APF的優勢與作用，接著以某海上油田平臺為例進行實例仿真，分別驗證了APF與PF對海上平臺電能質量改善的效果，然后進行APF與PF應用效果比較分析，結果表明，與PF相比，APF在諧波抑制方面的效果尤為顯著，同時還具有提高功率因數、降低損耗等功能。

關鍵詞：海上平臺;電能質量;APF;應用效果

0 引言

海上平臺主要用于海上油氣勘探開發，也因此應用了大量泵型大型電動機，在此背景下，其電力系統電能質量存在的主要問題[1-3]有以下幾點：①為了控制電動機工作，大量變頻器被使用，導致海上平臺電網電流諧波的污染嚴重，容易造成設備誤動作、設備自動跳閘、甚至元件燒毀等故障;②大功率交流電機的使用，使得供電電網的功率因數偏低，目前一般使用獨立的無功補償裝置進行電壓調節;③沖擊性負荷給供電電網造成的電壓波動甚至閃變等。有源濾波器能同時滿足諧波抑制與無功補償功能，有效改善電能質量，尤其適用于海上平臺電力系統的場景，此外，鑒于APF一機多能的特點，應用APF還能提高經濟效益性。

1 有源濾波器的基本工作原理

APF是一種能實時動態補償無功、抑制諧波的新型電能質量調節裝置，彌補了無源電力濾波器等傳統的無功補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，實時檢測改善對象的電壓和電流，經內部的運算電路計算得到一個與諧波源大小相等、相位相反的補償電流，然后與改善對象中待補償的諧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載電流信號，并將諧波成分分離，然后諧波成分被傳輸到控制電路的運算電路中，運算電路將采集到的諧波電流成分與APF輸出補償電流進行比較，得到的差值作為實時補償信號輸出到PWM逆變電路中，觸發逆變電路中的逆變器將補償諧波電流注入到電網中，從而實現濾除諧波的效果。

2 有源濾波器的特點與作用

目前廣泛應用的電能質量調節裝置是LC諧振型PF，該類PF具有成本低廉、容量大、運行效率高等優點，通常由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，其原理主要是根據電阻、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，不注入電網達到濾波效果，因此無源濾波器只能消除特定頻次諧波。其性能參數與阻抗特性相關，容易受系統阻抗特性影響，對抑制諧波次數多變的負載諧波效果不好，嚴重可能會發生諧振現象，使LC濾波器過載甚至燒毀。

隨著大功率可關斷器件（GTR，GTO，IGBT等）的技術不斷進步，作為抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置APF得到迅速發展，與PF比較，APF的特點與作用主要體現在以下幾個方面：

①實時抑制諧波，APF能快速響應負荷的變化整體變化及諧波含量變化，迅速實現完全跟蹤補償，可以高效地濾除負載中2～25次等高次電流諧波;

②動態補償無功，抑制電壓波動與閃變，無功補償時可實現連續調節無功的大小;

③改善三相負載不平衡，在設備容量充裕的情況下，可自定義設定諧波補償與無功補償容量分配比例，達到改善電力系統三相負載不平衡的目的;

④不受電網阻抗影響的影響，可在容量允許范圍內，有效抑制電網諧振;

⑤補償過程中，應用儲能元件的容量需求較小;

⑥能適用于電流過大的補償對象;

⑦既適用單個補償對象，也能進行多個補償對象集中補償;

⑧具備過流、過壓、欠壓、高溫、測量電路故障、雷擊等多種保護功能，以確保裝置和電力系統安全運行;

⑨負載較輕時能自動退出運行，具有良好的經濟運行性。

3 濾波器的應用效果實例分析

以渤海海域某油田群的電力系統為例，在該海上油田平臺電網上分別進行安裝無源濾波器以及有源濾波器，通過電能質量測試儀對相關指標的結果進行檢測，分別得到接入調節裝置前、接入無源濾波器后以及接入有源濾波器后的測試數據如下表1所示。

由表1數據可發現：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調節后系統功率波動造成，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調節后系統功率波動造成，由于消除了諧波電流所耗功率，因此視在功率下降了87kW，功率因數由0.93提高到0.98;比較兩者功率和功率因數變化，可發現APF自身功耗相較PF會稍高，兩者均有無功補償的作用。

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，經過APF調節后5、7、11、13次諧波分別降低了355.7A、108.9A、49.0A、40.8A，7、11、13次諧波電流已經趨于0;而經過PF調節后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可發現APF投運后，負載的電流波形由原來未投運APF時的鋸齒狀改善為正常的正弦波。

4 結束語

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行比較，分析得到APF具備實時抑制諧波、動態補償無功、改善三相負載不平衡等功能，接著以某海上油田平臺為例進行實例仿真，通過APF與PF對海上平臺電能質量改善效果的驗證與比較分析，結果表明，PF與APF同時具有提高功率因數、補償無功、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。而海上油田平臺最顯著的電能質量問題是諧波污染嚴重，因此，安裝APF更有利于改善海上油田平臺的電能質量。

參考文獻：

[1]陳洲.海洋鉆采平臺電力諧波分析與有源濾波器設計[D].北京：華南理工大學，2013.

[2]彭友君，張慧.APF對海洋石油平臺電力系統諧波的抑制效果[J].中國科技信息，2015（17）：17-18.

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