周新剛，何玉成

(1.中海油能源發(fā)展油建分公司工程設計研發(fā)中心， 天津 300452;2.深圳海億達電子有限公司， 廣東 深圳 518057)

0 引言

隨著我國海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型多功能商業(yè)和工程船舶以及海上鉆采平臺的功能越來越豐富，電站裝機容量越來越大，以大功率變頻裝置驅(qū)動的電動機所占比例也越來越高。變頻器驅(qū)動除了能夠滿足對設備精確控制外，大量的可控硅、IGBT電子設備的應用勢必會在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波。諧波的危害眾所周知，特別是對于海上船舶、鉆采平臺這種電站裝機容量小的電力孤島，危害更為明顯。

人們也越來越意識到并逐步實施對于諧波的治理工作，近幾年建造投用的大型船舶和海上鉆采平臺在設計初始就采用增加濾波器等諧波治理措施，對于早年投用的船舶和海上鉆采平臺，由于投用時間久，期間經(jīng)歷過不同程度的改造以及設備、電纜等均有不同程度的老化，諧波治理將更為復雜。因此，采用現(xiàn)有成熟可靠的技術和設備解決船舶和海上鉆采平臺諧波問題尤為重要。

1 BZ28－2S模塊鉆機諧波治理

根據(jù)中海油BZ28－2S油田開發(fā)需要，在該油田新建的BZ28－2S平臺上設置一ZJ50/3150鉆機，用于初期鉆井、完井作業(yè)以及后期修井、打調(diào)整井和側鉆井等作業(yè)的要求，該鉆機現(xiàn)已投入使用。在設計階段，根據(jù)諧波分析結果，系統(tǒng)諧波畸變率達到了30%左右，因此考慮采用有源濾波裝置對系統(tǒng)諧波進行治理。該鉆機電力系統(tǒng)見圖1。

圖1 BZ28－2S模塊鉆機電力系統(tǒng)簡圖

1.1 諧波治理方案選擇

目前電力系統(tǒng)諧波治理主要存在兩大主流方式:無源濾波和有源濾波。由于變頻器產(chǎn)生的諧波主要是 (6n±1)次諧波，而無源濾波裝置對每次諧波都要單獨設計LC單諧振回路，設計參數(shù)要跟系統(tǒng)阻抗有關，無緣濾波不能對諧波完全消除，反而存在著放大諧振的危險，電容的老化也會使原來設計諧振點偏移而達不到濾除目標諧波的目的，無緣濾波裝置適合負荷單一、變化率小的穩(wěn)定場合。

有源濾波可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。其基本原理是從諧波源 (被補償對象)中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流頻譜，用以抵消諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。其核心部分是諧波電流發(fā)生器及其控制系統(tǒng)，其工作靠數(shù)字信號處理 (DSP)技術控制快速絕緣雙極晶體管 (IGBT)來完成反向諧波電流的輸出。

與無源濾波裝置相比，有源濾波裝置具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響。

基于以上分析，我們采用有源濾波裝置進行諧波治理。在選型時，我們采用了具備國際領先水平的主動控制動態(tài)諧波注入 (OCDI)技術的RESINE有源濾波裝置。因為它既可以有效濾除2－51次諧波，又可以在交流電壓200～690 V之間選擇。從圖1可以看出，作為諧波源的變頻器有多臺，所以宜采取集中治理的方案，即在2臺變壓器低壓母線段分別配置一套有源濾波裝置進行諧波治理。

1.2 有源濾波裝置補償電流計算

A段母線負載共計1020kW，B段母線負載共計1140kW。根據(jù)實際經(jīng)驗，變頻器帶負載運行時，母線處的功率因數(shù)約為0.85。則 A段、B段母線上的最大工作相電流分別為:

對于本系統(tǒng)，變壓器低壓母線上最大諧波電流，一般按照最大負荷時畸變率為30%計算，即:

按照全濾波方式選擇濾波裝置，A段、B段母線上配備濾波裝置的容量分別為330 A/相、400 A/相。

1.3 濾波效果評估

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，該套有源濾波裝置于2009年9月份在海上投入使用。表1為變頻供電系統(tǒng)A段母線 (B段母線略)在濾波裝置投運前后 (負載相同)的測試數(shù)據(jù)和電壓/電流波形對比，從中可以看出濾波器投入后對諧波的抑制效果。

表1 A段母線在濾波裝置投運前后測試數(shù)據(jù)對比

表1中諧波衰減比:HAR=ILh/ISh，其中，ILh為負載側諧波電流，ISh為電源側諧波電流。濾波裝置投運后，若無法得到負載側諧波電流，則HAR近似等于投運前諧波電流與投運后諧波電流之比。

2 海上孤島電力系統(tǒng)特點

目前船舶和海洋石油生產(chǎn)設施均是由自備電站供電的電力孤島，與外界電源無直接聯(lián)系，通常電力孤島機組容量裝機小 (幾百千瓦～幾千千瓦)，負荷率高，具有抗沖擊和干擾能力弱、易振蕩、運行方式復雜等特點。

大功率變頻驅(qū)動負荷占有很大比例，以模塊鉆機為例，在總共3300kW的總負荷中，泥漿泵、絞車、頂驅(qū)這些負荷為2167kW，所占比例為65%，泥漿泵在工作時所需功率達到1560kW，頂驅(qū)、絞車等這些設備在工作時負載頻繁大量的突加突卸，常規(guī)的拖動手段無法滿足要求。

隨著船舶向大型化、高速化、節(jié)能化、自動化和高新化的方向發(fā)展，越來越多的船舶采用電力推進系統(tǒng)，對于浮吊、鋪管船等功能要求高的大型船舶，推進定位、錨機定位系統(tǒng)尤為重要，選用電力推進方式不但可以減小體積和質(zhì)量，有利于船舶整體布局，提高船舶的營運率，同時可以更合理地選擇螺旋槳尺寸和轉(zhuǎn)速，螺旋槳受到的波浪或冰塊的沖擊不會直接傳給原動機，實現(xiàn)駕駛室遙控和駕駛自動化。這些電力推進系統(tǒng)所需電力占到系統(tǒng)總裝機容量50%以上。

正是海上電力孤島的裝機容量小，而孤島系統(tǒng)中大功率變頻驅(qū)動裝置又占有很大比例，因此所產(chǎn)生的諧波對于小容量系統(tǒng)影響將會更大，相比陸地電網(wǎng)等其他電力網(wǎng)絡，海上電力孤島的諧波問題應該引起我們足夠的重視。

3 治理諧波改造

諧波污染是電力系統(tǒng)中不能忽視和回避的問題，直接影響供電質(zhì)量和設備壽命，尤其是采用大功率變頻系統(tǒng)拖動的船舶和海上平臺鉆機。對于新建項目可以在設計初始就采用諧波抑制手段，但是老系統(tǒng)的改造是我們經(jīng)常面臨的棘手問題。

投用初期，系統(tǒng)內(nèi)固有的諧波對系統(tǒng)影響并不明顯，隨著投用時間越來越長，設備、電纜等也出現(xiàn)正常老化，固有諧波則會加速老化，不利影響逐漸顯現(xiàn)，造成系統(tǒng)內(nèi)不明原因的跳閘、關斷等情況，原因排查很困難，而且下次故障很難預料和判斷，這類情況嚴重影響了船舶和海上模塊鉆機的正常使用，甚至會導致拋錨、停產(chǎn)等嚴重事故，因此對于老系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理更為迫切和重要。

對于老系統(tǒng)諧波改造，首先要利用軟件建立電力系統(tǒng)模型，進行系統(tǒng)整體諧波分析，確定諧波含量，找出系統(tǒng)內(nèi)主要的諧波源，明確國標和船檢對諧波的相關要求，再根據(jù)系統(tǒng)波源的分布確定集中治理和分散治理方案，施工安裝后進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)整濾波器的參數(shù)設定，最終達到將系統(tǒng)諧波控制在標準允許范圍內(nèi)。

目前濾波器實現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)，單體容量為100～300 A，根據(jù)實際需要可選擇大容量單體設備或小容量多級串聯(lián)連接，這種模塊化的結構極大地降低了安裝施工難度、減少占地空間，對船舶和海上鉆機空間非常寶貴的設施來說很有實際意義。

4 小結

采用RESINE有源濾波裝置，在海油平臺鉆機模塊上對變頻供電系統(tǒng)進行諧波抑制、提高電能質(zhì)量，是很有價值的嘗試，并且收效明顯:諧波電流和諧波電壓降低到了國標允許值以下、功率因數(shù)明顯提高 (12.5%)、能效提高10%以上、減少了對上級電網(wǎng)的污染，取得了令人滿意的成果。同時也為老系統(tǒng)諧波抑制的改造提供了寶貴經(jīng)驗，為解決該類問題提供了新的思路。

［1］GB/T 14549－1993，電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 ［S］.

［2］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2005.

［3］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊－電氣分冊［M］.國防工業(yè)出版社，1997.