諧波智能濾波裝置在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用

1、諧波智能濾波裝置在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用安科瑞 陳靜燕江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰2144051引言近些年,隨著我國(guó)海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展,海上平臺(tái)規(guī)模不斷擴(kuò)大,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。 交流變頻驅(qū)動(dòng)中變頻器的廣泛應(yīng)用給海洋事業(yè)帶來(lái)了巨大的收益的同時(shí),也帶來(lái)嚴(yán)重的諧波污染。2諧波的危害在采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的過(guò)程中,由于電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性,在其輸入和輸出側(cè)的電壓 和電流中都會(huì)出現(xiàn)波形畸變,從而產(chǎn)生了大量的諧波。諧波污染大大增加了電網(wǎng)中發(fā)生局部的并聯(lián)或者串 聯(lián)諧振的可能,使諧

2、波電流放大幾倍甚至幾十倍,產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流,對(duì)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)、測(cè)量和計(jì) 量?jī)x器以及通信系統(tǒng)等都有不利的影響。 大量諧波的存在,不僅使船舶發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率降低, 而且會(huì)使電氣設(shè)備過(guò)熱,并導(dǎo)致絕緣老化、使用壽命縮短;甚至還會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)和電力 測(cè)量等設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重影響,引起誤動(dòng)作和拒絕動(dòng)作,降低繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的可靠性。近幾年諧波畸變所引起的海上平臺(tái)變壓器過(guò)熱、儀表數(shù)據(jù)波動(dòng)、電容器過(guò)載損壞等現(xiàn)象已日漸引起相關(guān)工 作者的關(guān)注和警覺(jué),諧波分析和抑制成為海上平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的重要課題。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

3、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。3諧波的治理3.1治理方式解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題,不外乎兩種途徑:一種是裝設(shè)補(bǔ)償裝置,如有源濾 波器、無(wú)功功率補(bǔ)償器等,設(shè)法對(duì)諧波進(jìn)行抑制和對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償;另一種是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改 進(jìn),使其不產(chǎn)生諧波,或者少產(chǎn)生諧波,也不消耗無(wú)功功率,或根據(jù)需要對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。后一種 方法需要對(duì)現(xiàn)有電力電子裝置進(jìn)

4、行大規(guī)模更新,投入成本較大,并且只適用于作為主要諧波源的電力電子 裝置,因此有一定的局限性。而前一種方法則適用于各種諧波源和低功率因數(shù)設(shè)備,并且方法簡(jiǎn)單,已得 到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功功率和諧波的主要手段是設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償電容器和 LC 濾波器, 這兩種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 既可以 抑制諧波,又可以補(bǔ)償無(wú)功功率,一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行 狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,此外,此種補(bǔ)償方法損耗大,又只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,難以對(duì)變 化的無(wú)功功率和諧波進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,對(duì)無(wú)功功率和諧波進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 的需求越來(lái)越大。 目前的趨勢(shì)是采用電力電子

5、裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償, 即采用有源濾波器(Active Power Filter, APF 。3.2有源濾波器的優(yōu)勢(shì)有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源,它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響,因此此類裝置適合系列化、 規(guī) 模化生產(chǎn)。(2當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大, 不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險(xiǎn), 同時(shí)還能抑制 串并聯(lián)諧振。(3原理上比 PPF 更為優(yōu)越, 用同一臺(tái)裝置可同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流, 完成各次諧 波的治理。(4實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償, 可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償, 對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度。(5由于裝置本身能完

6、成輸出限制, 當(dāng)線路中的諧波電流突然增大時(shí)有源濾波器不會(huì)發(fā)生過(guò)載, 并且能正常 發(fā)揮作用,不需要與系統(tǒng)斷開(kāi)。(6具備多種補(bǔ)償功能,可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。(7諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。(8可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。3.3ANAPF 系列有源電力濾波裝置安科瑞公司 ANAPF 系列有源電力濾波裝置作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置,它 能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償, 可克服 LC 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償 方法的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,是諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴堰x擇,是確保海上平臺(tái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn) 行的有力保障。ANAPF 系列

7、有源電力濾波裝置,以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng),通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無(wú)功分量,采用 PWM 變流技術(shù),從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無(wú)功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng),從而實(shí) 現(xiàn)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償。 (見(jiàn)圖1圖1ANAPF 有源電力濾波裝置的工作原理圖接線方式 三相三線或三相四線接入電壓 3×380V±10%接入頻率 50Hz ±2%動(dòng)態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間 動(dòng)態(tài)響應(yīng)<4ms,全響應(yīng)時(shí)間<20ms;開(kāi)關(guān)頻率 10kHz功能設(shè)置 只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無(wú)功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無(wú)功;手動(dòng)、自動(dòng)切換。諧波補(bǔ)償次數(shù) 2-21次保護(hù)類型 直流過(guò)壓 IGBT 過(guò)流 裝置溫

8、度保護(hù)過(guò)載保護(hù) 自動(dòng)限流在設(shè)定值,不發(fā)生過(guò)載冷卻方式 智能風(fēng)冷噪音 <65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài)工作環(huán)境溫度 -10+45工作環(huán)境濕度 <85%RH不凝結(jié)安裝場(chǎng)合 室內(nèi)安裝海拔高度 1000m(更高海拔需降容使用 進(jìn)出線方式 下進(jìn)下出防護(hù)等級(jí) IP21智能通信接口 RS485/MODBUS-RTU遠(yuǎn)程監(jiān)控 可選外形尺寸(mm (W×D×H 30A 50A 75A 100A600×500×1500600×500×1500600×500×1800800×600×2200重量(kg

9、 三相四線 三相三線30A、50A 75A、100A 30A、50A 75A、100A 280360240290 控制器模塊 APFMC-C100主要由:DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 、FPGA 邏輯器件、AD 信號(hào)采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM 波形 控制電路、RS485通訊電路等組成,主要用來(lái)完成電壓、電流等信號(hào)的采集和處理、指令電流的計(jì)算、開(kāi)關(guān) 電路的生成、PWM 信號(hào)的輸出、系統(tǒng)對(duì)外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能。控制系統(tǒng)是有源濾波器的核心,它決定 了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和指標(biāo)。 變流器模塊 APFCOV其核心是儲(chǔ)能電容和 IGBT 模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng) IGB

10、T 功率模塊整流后為儲(chǔ)能電容充 電,使母線電壓維持在某個(gè)穩(wěn)定的值,在這個(gè)過(guò)程中變流器主要工作在整流狀態(tài),當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流 時(shí),變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的,因此直流支撐電容采用薄膜電容, 功率模塊采用德國(guó)原裝產(chǎn)品,以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)償電流的大小而有所不同。 電抗器模塊 APF-RE.DG、APF-RE.SDGAPF 電抗器起濾波作用, 濾除 APF 發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。 電抗器可分為單相和三相, 電流從15A 到200A 等多種規(guī)格。人機(jī)操作界面 APF-HMIAPF 柜在工作時(shí),系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)其網(wǎng)側(cè)電流、 APF 橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流, 用

11、戶可以通過(guò) HMI 來(lái)對(duì) APF 的 運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置,對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題,可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件記錄。HMI 就是我司針對(duì)電力系統(tǒng),工 礦企業(yè), 公用設(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)的一種智能儀表, 它采用高亮度 TFT-LCD 彩屏顯示界面, 通過(guò)面板按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,集成全部電力參數(shù)的測(cè)量、全面的電能計(jì)量和考核管理、多種電力 質(zhì)量參數(shù)的分析。配套的電流采樣互感器 AKH-0.66-K1DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,具有極快的響應(yīng)時(shí)間;2先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定;3一機(jī)多能,既可補(bǔ)諧波,又可兼補(bǔ)無(wú)功;4模塊化設(shè)計(jì),便于生產(chǎn)調(diào)試;5便利的并聯(lián)設(shè)計(jì),方便擴(kuò)容;

12、6具有完善的橋臂過(guò)流、保護(hù)功能;7使用方便,易于操作和維護(hù)。型號(hào):ANAPF100-400/B參考價(jià)格:12萬(wàn)元/臺(tái)主要產(chǎn)品明細(xì):序號(hào) 名 稱 型 號(hào) 數(shù)量 1APF 電氣柜 800X600X220012變流器 APFCOV-CVT10013控制器 APFMC-C10014電抗器 APF-RE.(SDG-10015有源電流互感器 LT208-S736濾波器 DL-1TH127斷路器CVS160FTM160D4P3D 18接觸器 LC1D150M7C 19微型斷路器 NDM1-63C32110中間繼電器 MY4NAC 211R 型變壓器 R320-0.38/0.22112諧波檢測(cè)儀 ACR350

13、EGH 113電線 16mm2若干 14電線4mm2若干4ANAPF 有源電力濾波裝置的應(yīng)用實(shí)例中海油某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目采用 VFD 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng) (交流調(diào)速傳動(dòng)控制 , 變頻驅(qū)動(dòng)電鉆機(jī)時(shí)產(chǎn)生了大量的 諧波, 實(shí)測(cè)600V 母線上電壓的畸變率為 l8.0%左右,需要配備諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備。但 VFD 系統(tǒng)的 功率因數(shù)較高,一般在0.8左右,針對(duì)此系統(tǒng)特點(diǎn),擬只用有源濾波器來(lái)抑制諧波,而不設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功功率 補(bǔ)償裝置。經(jīng)過(guò)計(jì)算及慎重考慮后,用戶選定了安科瑞公司的 ANAPF 系列有源電力濾波裝置進(jìn)行諧波治理。 ANAPF100-400/B投入運(yùn)行前后的系統(tǒng)諧波如下(圖2-11 : 圖2ANAPF 投入前的電壓波形圖 圖3ANAPF 投入后的電壓波形圖 圖4ANAPF 投入前的電流波形圖 圖5ANAPF 投入后的電流波形圖 圖6ANAPF 投入前的電壓頻譜圖 圖7ANAPF 投入后的電壓頻譜圖 圖8ANAPF 投入前的電流頻譜圖 圖9ANAPF 投入后的電流頻譜 圖圖10ANAPF 投入前的電能質(zhì)量數(shù)據(jù) 圖11ANAPF 投入后的電能質(zhì)量數(shù) 據(jù)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)600V 電網(wǎng)的電網(wǎng)質(zhì)量和功率因數(shù)均有較大的改善,通