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张义锋
摘要:本文首先阐述了有源滤波器(ActivePowerFilter,APF)的基本工作原理,并与无源滤波器(PassivePowerFilter,PF)的特性进行了比较,进一步分析了APF的优势与作用,接着以某海上油田平台为例进行实例仿真,分别验证了APF与PF对海上平台电能质量改善的效果,然后进行APF与PF应用效果比较分析,结果表明,与PF相比,APF在谐波抑制方面的效果尤为显著,同时还具有提高功率因数、降低损耗等功能。
Key:海上平台;电能质量;APF;应用效果
0引言
海上平台主要用于海上油气勘探开发,也因此应用了大量泵型大型电动机,在此背景下,其电力系统电能质量存在的主要问题[1-3]有以下几点:①为了控制电动机工作,大量变频器被使用,导致海上平台电网电流谐波的污染严重,容易造成设備误动作、设备自动跳闸、甚至元件烧毁等故障;②大功率交流电机的使用,使得供电电网的功率因数偏低,目前一般使用独立的无功补偿装置进行电压调节;③冲击性负荷给供电电网造成的电压波动甚至闪变等。有源滤波器能同时满足谐波抑制与无功补偿功能,有效改善电能质量,尤其适用于海上平台电力系统的场景,此外,鉴于APF一机多能的特点,应用APF还能提高经济效益性。
1有源滤波器的基本工作原理
APF是一种能实时动态补偿无功、抑制谐波的新型电能质量调节装置,弥补了无源电力滤波器等传统的无功补偿和谐波抑制装置的局限。APF的基本原理主要通过外部电流互感器CT,实时检测改善对象的电压和电流,经内部的运算电
路计算得到一个与谐波源大小相等、相位相反的补偿电流,然后与改善对象中待补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流和电压。
如图1所示,通过谐波电流检测电路模块采集负载电流信号,并将谐波成分分离,然后谐波成分被传输到控制电路的运算电路中,运算电路将采集到的谐波电流成分与APF输出补偿电流进行比较,得到的差值作为实时补偿信号输出到PWM逆变电路中,触发逆变电路中的逆变器将补偿谐波电流注入到电网中,从而实现滤除谐波的效果。
2有源滤波器的特点与作用
目前广泛应用的电能质量调节装置是LC谐振型PF,该类PF具有成本低廉、容量大、运行效率高等优点,通常由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,其原理主要是根据电阻、电容固有的阻抗特性,对某一特定频率的谐波呈低阻抗性,使该频率下的谐波流入滤波器,不注入电网达到滤波效果,因此无源滤波器只能消除特定频次谐波。其性能参数与阻抗特性相关,容易受系统阻抗特性影响,对抑制谐波次数多变的负载谐波效果不好,严重可能会发生谐振现象,使LC滤波器过载甚至烧毁。
随着大功率可关断器件(GTR,GTO,IGBT等)的技术不断进步,作为抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置APF得到迅速发展,与PF比较,APF的特点与作用主要体现在以下几个方面:
①实时抑制谐波,APF能快速响应负荷的变化整体变化及谐波含量变化,迅速实现完全跟踪补偿,可以高效地滤除负载中2~25次等高次电流谐波;
②动态补偿无功,抑制电压波动与闪变,无功补偿时可实现连续调节无功的大小;
③改善三相负载不平衡,在设备容量充裕的情况下,可自定义设定谐波补偿与无功补偿容量分配比例,达到改善电力系统三相负载不平衡的目的;
④不受电网阻抗影响的影响,可在容量允许范围内,有效抑制电网谐振;
⑤补偿过程中,应用储能元件的容量需求较小;
⑥能适用于电流过大的补偿对象;
⑦既适用单个补偿对象,也能进行多个补偿对象集中补偿;
⑧具备过流、过压、欠压、高温、测量电路故障、雷击等多种保护功能,以确保装置和电力系统安全运行;
⑨负载较轻时能自动退出运行,具有良好的经济运行性。
3滤波器的应用效果实例分析
以渤海海域某油田群的电力系统为例,在该海上油田平台电网上分别进行安装无源滤波器以及有源滤波器,通过电能质量测试仪对相关指标的结果进行检测,分别得到接入调节装置前、接入无源滤波器后以及接入有源滤波器后的测试数据如下表1所示。
由表1数据可发现:功率层面,APF有功功率上升14kW,主要是由APF自身功耗及功率因数调节后系统功率波动造成,由于消除了谐波电流所耗功率,因此视在功率下降了44kW,;PF有功功率下降14kW,主要是由PF自身功耗及功率因数调节后系统功率波动造成,由于消除了谐波电流所耗功率,因此视在功率下降了87kW,;比较两
者功率和功率因数变化,可发现APF自身功耗相较PF会稍高,两者均有无功补偿的作用。
电流层面,%%,%;%%,%。。
电压层面,%%,%;%%,%;。
由图2可看出,经过APF调节后5、7、11、、、、,7、11、13次谐波电流已经趋于0;而经过PF调节后5,7,11,、、、。由图中可看出,PF对于7次谐波电流改善程度较差,由此可见,PF存在着某特定频次谐波无法消除的弊端,而APF对各频次谐波电流都有较大程度的消除效果。综上,无源滤波器与有源滤波器都对谐波产生了抑制作用,但有源滤波器的效果更为显著。
由图3、图4可发现APF投运后,负载的电流波形由原来未投运APF时的锯齿状改善为正常的正弦波。
4结束语
通过阐述有源滤波器的基本工作原理,并与无源滤波器的特性进行比较,分析得到APF具备实时抑制谐波、动态补偿无功、改善三相负载不平衡等功能,接着以某海上油田平台为例进行实例仿真,通过APF与PF对海上平台电能质量改
善效果的验证与比较分析,结果表明,PF与APF同时具有提高功率因数、补偿无功、降低损耗等功能,但PF存在着某特定频次谐波无法消除的弊端,不及APF谐波抑制效果明显。而海上油田平台最显著的电能质量问题是谐波污染严重,因此,安装APF更有利于改善海上油田平台的电能质量。
Reference:
[1][D].北京:华南理工大学,2013.
[2]彭友君,[J].中国科技信息,2015(17):17-18.
[3][J].大科技,2016(33):99-100.
 
-全文完-