深水鉆井船的電網諧波抑制研究

茌宏理，竇金生

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

深水鉆井船的電網諧波抑制研究

茌宏理，竇金生

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

針對深水鉆井船的電網諧波抑制問題，采用并聯有源濾波的控制方法來實現諧波抑制。通過用matlab軟件構建一個并聯型有源電力濾波器，來模擬并聯型有源電力濾波器減少電網諧波的實驗，并與未經過濾波器處理的仿真波形進行對比分析。仿真結果驗證了該方法的可行性。

鉆井船；電網；諧波；并聯型有源電力濾波器

近年來，油田的開采[8-10]從淺海到深海逐漸發展，電力負載也逐漸增大，電力電子技術也得到了廣泛的應用，因而電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置自身所具有的非線性也會改變原有的電網電壓和電流，通常認為電力系統諧波污染的程度與非線性設備數量和額定容量成正比[1-3]。目前，非線性設備數量和額定容量都在相應的增加，因此電力系統中的諧波危害問題也日益加重，已經成為了制約電能質量的一個關鍵因素，并極大的危害了電力系統的經濟、安全、穩定的運行，而另一方面優質的電能質量需求存在于供電方及其電力系統設備，用戶及其用電器，這一矛盾使得人們對諧波危害問題越來越重視。據某日報報道，我國因為電能質量較差問題帶來了每年高達400多億元的電能損失，冶金，礦山，鐵路等企業的大量非線性設備及較大的額定容量造成諧波指標嚴重超出正常值，因諧波問題導致電網大面積停電甚至電力系統解列等事故也會經常出現在媒體的報道中。從而，我們更應該深入對電力系統的諧波研究，降低由諧波問題帶來的危害。具有高度可控性、快速響應性等優點的有源電力濾波器逐步被研發，能對諧波造成變化的頻率和幅值都進行補償，因而有源電力濾波器受到廣泛的重視。

1　有源電力濾波器的工作原理

諧波的抑制為專家和工程技術人員提出了一個重要的課題。一般來說，抑制諧波可以從兩個方面入手，一是減少諧波的產生，二是安裝諧波補償裝置。

電力電子裝置是電力系統中最重要的諧波源，而在電力電子裝置中，整流器又占最大的比例。所以，可將整流器視為最主要的諧波源。減少諧波就是要是整流器不產生諧波，并且功率因素達到1。這種整流器稱為高功率因素整流器。目前，高功率因素整流器多半采用PWM整流技術。

其中之一是LC調諧濾波器，它結構簡單，既可以補償諧波，又可以補償無功功率。是一種應用廣泛的諧波補償裝置。LC濾波器的作用是濾除高次諧波。一般情況下，單調諧波濾波器用于濾除某個奇次諧波，若要濾除幾個奇次諧波，則要相應地用幾個單調諧濾波器的并聯，如果要濾除偶次諧波，則要采用偶此諧波濾波器，對于幅值較小的高次諧波，可以采用高通濾波器將其一并濾除。其缺點是只能對某一個固定頻率的諧波進行補償，若要對多次諧波進行補償時，必須采用多個LC調諧濾波器，其結構變得相當復雜。另外，LC調諧濾波器的補償特性受電網阻抗的影響較大，極易與系統發生諧振，導致諧波電流放大，造成LC調諧濾波器被燒毀。LC濾波器通常又稱為無源濾波器[4-7]。

圖1所示，U為電網電壓，Z為電網負載，其中由電流檢測部分、PWM部分和主電路部分組成有源電力濾波器。電流檢測器的是用來檢測負載中的無功電流分量和電流諧波分量，PWM為逆變電路的控制電路，主電路是用來對功率雙向傳輸的逆變電路，PWM部分和主電路部分是用來補償負載中的無功電流分量和電流諧波分量。

圖1　有源電力濾波器的結構原理圖

電網電流IS由有負載電流IL和補償電流IC兩部分組成，即

由于IC跟蹤指令信號I*C，所以IC=I*C，那么

由于IC是通過把負載電流IL中的諧波電流分量In和無功電流分量Iq相加，即

由于IL=Ip+Iq+In，Ip是基波分量。所以IS=IL-（In+Iq）=Ip。

由此可知，有源電力濾波器對諧波分量進行了抑制和對無功電流分量進行了補償。根據逆變器在直流所用的儲能元件的不同，有源電力濾波器可以分為兩種類型，儲能元件為電容器時，為電壓型有源電力濾波器。他的優點是效率高，是常采用的一種形式。儲能元件為電感器時，為電流型有源電力濾波器。由于儲能電感器中有電流流過，會產生較大的損耗，效率較低。

文中要重點介紹的濾波裝置，它由VMOS，IGBT等開關器件組成的，采取PWM控制方式的諧波電流發生器，它可以產生幅值，相位和頻率均可變的諧波電流，用以抵消電網中相應的諧波電流。另外，還可以用來補償電網的無功功率。有源電力濾波器的優點是補償特性不受電網阻抗的影響，并且對諧波分量實現跟蹤補償，在電力系統中被廣泛使用。并聯型有源電力濾波器的原理框圖如圖2所示:

圖2　并聯型有源電力濾波器的原理圖

2　實例仿真

2.1并聯型有源電力濾波器仿真

文中以深水鉆井船電網為構架，采用并聯型有源電力濾波器來抑制電網諧波。將封裝成的并聯型有源電力濾波器的子系統連接到含有非線性負載的電網中進行仿真。在該仿真中，包含電網電源，并聯型有源電力濾波器，三相斷路器，整流電路（非線性負載）。如圖3所示，電網電源參數設置中，電壓值：4 160*sqrt（2）/sqrt（3）；A相位：0度；B相位：-120度；C相位：120度；頻率：60 Hz；該電網起初，電壓和電流都是呈正弦狀的波形，但一旦接入諧波源，也就是程序中的整流裝置后，產生大量的諧波，使電網電流發生畸變，使電網質量受到影響。

圖3　并聯型有源電力濾波器仿真模型圖

2.2仿真分析

圖4是未經過濾波器處理后負載電流的波形圖。

圖4　負載電流變化仿真圖

圖5是經過濾波器處理后的負載電流的波形圖。

圖5　電網電流變化仿真圖

從圖4中我們可以看到波形發生了畸形，嚴重的偏離了原始的電網電流的正弦波。如論是改變諧波源的電流大小，還是諧波源的投入使用個數，諧波總是存在，電網電流的波形呈現出不對稱，遠遠達不到所要求的正弦波形狀，此時的電網質量是很差的。當接入有源電力濾波后，如圖5所示可知電網電流的波形由原來的形狀不規則，變為正弦波。雖然在仿真過程中，經過了諧波源的電流大小和諧波源個數的變化，但是這不會影響濾波器的處理功能，它能很好的對電網中的諧波進行補償。

3　結　論

深水鉆井船的負載通常都非常大，尤其是推進負載和鉆井負載。一旦這些大型負載接入到電網中，產生的諧波危害也是十分巨大的，嚴重的影響到了船舶電能質量。因此，通過對電網中的非線性負載與并聯型有源濾波器相連接可以非常有效的抑制諧波，從而可以提高電能質量，進一步提高了鉆井船的安全運行。

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The deepwater drilling ship power grid harmonic suppression research

CHI Hong-li，DOU Jin-sheng
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Aimed at the deepwater drilling ship power grid harmonic suppression，using the parallel active power filter control method to realize harmonic suppression.By using matlab software to build a shunt active power filter，to simulate the shunt active power filter to reduce experiment of the harmonic wave in the power grid.Filter processing simulation waveforms and without filter processing simulation waveforms are analyzed.The simulation results verify the feasibility of the method.

drilling ship；power grid；harmonic；shunt active power filter

TN97

A

1674－6236（2016）21-0160-02

2015-11-03稿件編號：201511026

茌宏理（1989—），男，江蘇徐州人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。