劉 巍 陳瑞寶 韋 濤

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司渤中FPSO作業(yè)公司，天津塘沽，郵編：300457）

1.諧波的來(lái)源

目前油田大的用電設(shè)備主要就是一些大的電機(jī)，例如:貨油系統(tǒng)的液壓油泵、主海水泵、生產(chǎn)水增壓泵、注水泵等等。井口平臺(tái)上的設(shè)備主要就是平臺(tái)注水泵和電潛泵。所以油田電力的主要用戶(hù)就是電機(jī)。電機(jī)在正常情況下是不會(huì)產(chǎn)生諧波的，但是隨著油田越來(lái)越多的使用新的產(chǎn)品，而現(xiàn)在許多產(chǎn)品大量的使用了電力電子技術(shù)，使油田出現(xiàn)了很多非線性設(shè)備。所謂非線性設(shè)備就是指在正弦供電電壓下產(chǎn)生非正弦電流或者在正弦供電電流下產(chǎn)生非正弦電壓的設(shè)備。這些非線性設(shè)備就是我們的諧波源，目前海上諧波源大量存在，下面是兩個(gè)例子。

1.1 整流橋

由于海上很多負(fù)載需要用到直流電源，但是海上發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的電是三相交流電，所以我們需要一個(gè)將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的辦法，整流橋就是起這個(gè)作用的。下面是整流橋的工作原理圖：

下圖是個(gè)三相橋式全控整流電路：

左側(cè)是三相交流電源，經(jīng)過(guò)一個(gè)電力變壓器后到達(dá)整流橋，整流橋是由六個(gè)晶閘管組成，進(jìn)入整流橋之前的波形如下：

其中Uu，Uv，Uw分別為變壓器副邊的三相電壓，當(dāng)三相交流電經(jīng)過(guò)整流橋后我們?cè)谡鳂騼啥艘簿褪秦?fù)載兩端得到下面的電壓：

從圖中我們可以看到，整流橋輸出的是一個(gè)直流電壓但是含有大量紋波，如果把這個(gè)電壓Ud分為直流分量和交流分量的話,直流分量在上圖中已經(jīng)標(biāo)出，而交流分量如下圖

紋波分量

而這個(gè)紋波分量就是我們通常說(shuō)的諧波的一種。上面說(shuō)的只是全控橋帶電阻負(fù)載，并觸發(fā)角為零時(shí)的情況，我們?cè)倏纯串?dāng)觸發(fā)角不為零時(shí)的波形：

原波形與觸發(fā)角：

輸出電壓：

可以看出此時(shí)電路輸出的電壓電流全部非正弦，并且畸變很大。

整流只是電力電子技術(shù)中最基本的諧波源，與之相對(duì)應(yīng)的逆變產(chǎn)生的諧波遠(yuǎn)比之多，由于過(guò)程比較復(fù)雜，在此不詳細(xì)說(shuō)明。在油田的設(shè)備中，用到這個(gè)電路或類(lèi)似電路的很多很多，包括UPS、一變多控系統(tǒng)和所有與變頻相關(guān)的都會(huì)用到整流與逆變，他們帶的負(fù)載越大，產(chǎn)生的諧波所占總電量的比例就會(huì)越大。

1.2 電力變壓器

目前油田電力輸送的核心就是電力變壓器，其能量傳遞過(guò)程就是原邊線圈中的電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這個(gè)交變磁場(chǎng)在副邊線圈中再產(chǎn)生交變電流，這樣就完成一個(gè)電到磁，然后磁到電的轉(zhuǎn)換。而且原邊與副邊電流的頻率和波形應(yīng)該基本一致，改變的只是電壓與電流。以上說(shuō)的均屬于理論情況，在實(shí)際工作中，變壓器有兩點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生諧波一是漏磁，二是磁飽和。

漏磁就是由于制作工藝上的缺陷，導(dǎo)致原邊線圈產(chǎn)生的磁通并不是所有的都穿過(guò)鐵芯進(jìn)入副邊線圈，有一部分在空氣中形成的磁回路，這就導(dǎo)致能量在傳遞過(guò)程中發(fā)生了損失，而且使本來(lái)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的電流傳遞到副邊后變得不正弦。這方面只有不斷的改進(jìn)制造工藝來(lái)較少它，但是根本消除幾乎不可能。

另一方面是鐵磁材料的非線性。通電線圈在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)并非完全線性，其曲線如下圖所示:

圖中H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H與電流I成正比，所以上圖也能反映磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系。當(dāng)電流較小，鐵磁材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流基本是正比關(guān)系，但是當(dāng)電流比較大，使鐵磁材料工作在非線性區(qū)，那么鐵芯材料內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將不會(huì)與電流成線性關(guān)系，那么當(dāng)原邊通過(guò)正弦交流電流時(shí)，在鐵芯中的磁通并非正弦，這個(gè)磁通在副邊感應(yīng)出來(lái)的電流更加不是正弦，如下圖：

由圖中可以看見(jiàn)由于導(dǎo)磁材料的非線性，導(dǎo)致變壓器輸出電流的嚴(yán)重畸變。

2.電網(wǎng)諧波的危害

油田供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 增加附加損耗降低設(shè)備性能

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重，降低設(shè)備的效率和利用率

（1）對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響

諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電系統(tǒng)中，用戶(hù)的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶(hù)電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響最為顯著。由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能按發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來(lái)考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。因此，國(guó)際上一般建議在持續(xù)工作的條件下，電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過(guò)額定電壓的2%。

諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

（2）對(duì)變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

（3）對(duì)輸電線路的影響

由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路的阻抗隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應(yīng)電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。輸電線路存在著分布的線路電感和對(duì)地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數(shù)配合條件下，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會(huì)引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以至損壞設(shè)備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對(duì)于海上的電力電纜線路，由于電纜的對(duì)地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，因此更容易激勵(lì)出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。

（4）對(duì)電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行。

2.2 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性

諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)（若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴(yán)重）、變壓器的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅油田電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3 干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過(guò)的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。通信系統(tǒng)少不了的換流設(shè)備和UPS設(shè)備本身是很?chē)?yán)重的諧波源，這類(lèi)設(shè)備產(chǎn)生的諧波頻率一般在3-10KHz之間，該頻段的諧波必然會(huì)干擾載波通信的正常工作，由此產(chǎn)生的干擾電壓將會(huì)嚴(yán)重影響通信線路的通信質(zhì)量，甚至于在某些情況下還會(huì)造成通信線路的中斷等嚴(yán)重后果。

2.4 對(duì)用電設(shè)備的影響

諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過(guò)熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來(lái)說(shuō)，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過(guò)熱而損壞。海上燈管損壞頻率如此之高應(yīng)該也有這方面的原因。

2.5 諧波對(duì)整流器件的影響

任何一種整流裝置在整流的每一導(dǎo)通和換相過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電壓的突跳，從而形成大量的各次諧波存在，是公認(rèn)的最大的諧波源。這些諧波在給整流設(shè)備、電抗器、整流變壓器帶來(lái)過(guò)熱、振動(dòng)和噪音的同時(shí)，造成的電能損耗是很大的。

2.6 諧波對(duì)各類(lèi)蓄電池充電設(shè)備的影響

海上UPS中的蓄電池一個(gè)普遍現(xiàn)象就是使用一段時(shí)間后蓄電池的蓄電量會(huì)大大低于原出廠標(biāo)定值，有些生產(chǎn)這類(lèi)蓄電池的廠家也會(huì)由于出廠電池達(dá)不到設(shè)計(jì)值而想盡辦法。其實(shí)真正的原因就是在蓄電池的充電過(guò)程中電源中由于整流、換流等非線性的原理，使諧波的含量很高，不但使各類(lèi)蓄電池的極板表面嚴(yán)重氧化而充電不足，而且使充電過(guò)程中的電能的浪費(fèi)達(dá)到驚人的程度。浪費(fèi)電能還只是小的問(wèn)題，損壞電池，使UPS在關(guān)鍵時(shí)刻效力降低才是大的問(wèn)題。想像一下，如果在失電后主機(jī)還沒(méi)啟動(dòng)前電池電量耗干了會(huì)出現(xiàn)什么情況！而且損壞的電池對(duì)環(huán)境的破壞也是不容忽視的，這與公司的HSE理念是背道而馳了。

3.諧波的抑制

對(duì)于電網(wǎng)諧波的抑制，可以從減少和消除諧波兩方面來(lái)做，以便將諧波控制在限定值以?xún)?nèi)。

3.1 降低諧波源的諧波含量

我們可以在諧波源上采取措施，最大限度避免諧波的發(fā)生。這種方法是從根本上提高電源質(zhì)量，更能節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。具體方式是：

3.1.1 增加整流器的脈動(dòng)數(shù)

整流器是油田電網(wǎng)中重要的諧波源，增加整流脈動(dòng)數(shù)，可平滑波形，減少諧波。例如當(dāng)整流相數(shù)為6相時(shí)，5次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%，如果將整流相數(shù)增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的4.5%，7次諧波電流下降到基波電流的3%。下面將單相整流波形與三相整流波形做一下比較。

單相整流：

三相整流：

從圖中可以明顯的看出三相整流比單相整流產(chǎn)生的諧波更少。如果進(jìn)一步將三相電流通過(guò)變壓器移相得到六相電流再整流的話，將會(huì)使諧波更少。下面是十二相整流電路圖

如上圖。十二相整流器電路是由△/△/Y接法兩個(gè)三相橋式整流電路疊加而成的。對(duì)負(fù)載而言，兩組整流臂相串聯(lián)。三角形繞組的線電壓ea1b1、eb1c1、ec1a1分別與星形繞組的相電壓ea0、eb0、ec0同相，星形繞組的線電壓eab、ebc、eca分別比三角形繞組的線電壓超前30°。十二相整流器的工作原理與三相橋式整流器基本相同，工作中總有四個(gè)整流管串聯(lián)導(dǎo)電，其波形如右上圖所示。

圖中，星形接法線電壓ea1b1超前三角形線電壓ea2b2相位30°，故兩組整流器合成的直流輸出電壓的紋波頻率相應(yīng)提高了一倍。最后輸出的直流電壓紋波相比3相又能減少很多。這種電路優(yōu)缺點(diǎn)如下：

●輸出電壓紋波小，可使濾波器簡(jiǎn)化；

●十二相整流電路可同時(shí)有三種電壓輸出：全壓 Uo，半壓 Uo/2和 Uo/4；

●整流元件比三相橋式電路多一倍；

●整流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜

雖然這種方法能減少諧波，但是目前我們油田還沒(méi)有使用這種電路，主要是因?yàn)槿绻麨榱诉@些整流電路單獨(dú)配一個(gè)這種整流變壓器的話，成本有點(diǎn)高，而且船上面積有限，要單獨(dú)給這種變壓器騰出地方來(lái)還是有點(diǎn)不太劃算。因此現(xiàn)有的UPS和變頻器都是與其他負(fù)載共用變壓器的。

3.1.2 變壓器接法

變壓器采用星型——三角形接法或三角形——星型接法，可消除3的倍數(shù)次的高次諧波，比如9次諧波。目前油田變壓器也大都是這種接法。

結(jié)論：雖然從諧波源處減少諧波是最根本也最直接的方法，但是可以看出這種方法性?xún)r(jià)比太低，不適合我們油田使用。既然在減少諧波源上我們無(wú)能為力，只有當(dāng)諧波出來(lái)后我們?cè)傧朕k法消除它了。

3.2 在諧波源處吸收諧波電流

這是對(duì)已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，是目前油田電力系統(tǒng)中使用最廣泛的抑制諧波的方法。主要有以下幾種方法。

3.2.1 無(wú)源濾波法

無(wú)源濾波法即是將電感、電容和電阻串聯(lián)構(gòu)成諧振回路并入電網(wǎng)，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止其流入電網(wǎng)。有些平臺(tái)裝有無(wú)功補(bǔ)償裝置，其LC電路部分如下圖：

這個(gè)系統(tǒng)一共有7組電容器組，電容器組包含了電容器和電抗器，其采用投切開(kāi)關(guān)組對(duì)電容的投入進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)參數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)質(zhì)量不夠好時(shí)就會(huì)控制開(kāi)關(guān)模塊對(duì)電容器組進(jìn)行投切，同時(shí)也將電抗器也就是電感元件投入到電網(wǎng)。投切開(kāi)關(guān)采用的是晶閘管和二極管，由觸發(fā)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通。此系統(tǒng)能補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功是可以隨投入電容器組的組數(shù)而改變的，但是對(duì)于諧波的濾除卻只能針對(duì)固定頻率，因?yàn)殡娐防镫姼泻碗娙莸淖杩故且欢ǖ?。?duì)于這個(gè)系統(tǒng)，我提出一個(gè)改進(jìn)辦法可以提高此系統(tǒng)對(duì)諧波的濾除作用，大致如下圖：

由于系統(tǒng)中諧波一般為奇次諧波，并且危害最大。所以我們可以將系統(tǒng)中的7組電容器組的固有頻率分別固定在3次、5次、7次……，或者根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，在比較嚴(yán)重的頻率多加一組，比如3次和5次。這樣我們就能有針對(duì)性的對(duì)危害比較嚴(yán)重的頻率段的諧波進(jìn)行控制而不是只對(duì)某一個(gè)或許并不是最需要抑制的頻率進(jìn)行抑制！并且系統(tǒng)并沒(méi)有喪失無(wú)功補(bǔ)償?shù)奶匦?，只需要適當(dāng)調(diào)整電容和電感的容抗和感抗就行。

有些無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中有調(diào)諧濾波器,其也是無(wú)源濾波的一種。其主要電氣元件就是電感和電容，這兩個(gè)器件的參數(shù)可以改變，方案如下圖，方案的關(guān)鍵是濾波器內(nèi)部有一個(gè)參數(shù)可控的器件，數(shù)字調(diào)諧的“控制碼”通過(guò)“控制器”控制這個(gè)器件，例如通過(guò)控制壓控元件、變?nèi)荻O管的參數(shù)，改變了濾波器的整體參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的中心頻率，達(dá)到數(shù)字調(diào)諧選頻濾波的目的。

總結(jié)以上兩種平臺(tái)所用的無(wú)源濾波裝置，我們發(fā)現(xiàn)無(wú)源濾波有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

●技術(shù)比較成熟，有成熟的產(chǎn)品可以用。

●原理比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)

●濾波頻段比較窄，只能對(duì)特定的頻率進(jìn)行濾除，濾波效果較差

●由于是LC回路，容易在電路中產(chǎn)生諧振，使諧波被無(wú)限放大，致使損害電氣設(shè)備特別是電容器。

雖然有諸多缺點(diǎn)，但是由于有現(xiàn)成產(chǎn)品可以購(gòu)買(mǎi)，并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，所以目前油田仍然采用的是這種方法來(lái)濾波，想要克服無(wú)源濾波的缺點(diǎn)，我們可以采用一種更先進(jìn)的方法，那就是有源濾波！

3.2.2 有源濾波法

有源濾波器（APF）就是利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波電流幅值相等，相位相反的電流使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。這種方法可以說(shuō)是以毒攻毒，由一個(gè)諧波源來(lái)抑制電網(wǎng)諧波，使總諧波得到消除，如果能精確地控制注入諧波，達(dá)到無(wú)差拍控制，那么這個(gè)方法理論上能達(dá)到電網(wǎng)零諧波。目前我們油田還沒(méi)有用到這項(xiàng)技術(shù)，但是隨著這種技術(shù)不斷的成熟，我們可以考慮引進(jìn)它，來(lái)確保電網(wǎng)的穩(wěn)定。下面簡(jiǎn)述這種方法的具體實(shí)現(xiàn)。

APF的工作原理是，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該指令信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，從而將負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功電流抵消掉，最終得到期望的系統(tǒng)電流。，其流程圖如下圖所示：

非線性負(fù)載產(chǎn)生的含有諧波的負(fù)載電流為，根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)可以將其展開(kāi)為：由（1）式可知，負(fù)載電流包含三個(gè)部分：基波有功電流ilp，與系統(tǒng)基波電壓保持同相位ilq；無(wú)功電流ilp，與基波有功電流正交 ih；諧波電流il。

如果要使負(fù)載電流功率因數(shù)為1且無(wú)諧波，則APF輸出的補(bǔ)償電流既包含與無(wú)功電流ilq大小相等，也包含與諧波電流ih大小相等，方向相反的分量。若APF僅補(bǔ)償諧波電流ih，則補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流中只含有基波電流il。

下圖為我們海上船用三相三線制系統(tǒng)中有源濾波器主回路接線示意圖：

開(kāi)關(guān)管一般選擇全控的IGBT，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)信號(hào)是根據(jù)系統(tǒng)由檢測(cè)到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的相對(duì)的補(bǔ)償信號(hào)。開(kāi)關(guān)管右側(cè)為電容器組，主要作用是產(chǎn)生反相諧波并提供無(wú)功功率由開(kāi)關(guān)管來(lái)控制其的投入與退出。

根據(jù)總電網(wǎng)和各個(gè)平臺(tái)的實(shí)際情況，可以選擇總補(bǔ)償，部分補(bǔ)償和就地補(bǔ)償三種方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償濾波，如下圖：

●總補(bǔ)償可以在大船低壓盤(pán)上接入APF，由于大部分油田低壓盤(pán)分別為模塊低壓盤(pán)，船體低壓盤(pán)以及應(yīng)急盤(pán)，并且模塊與其余兩個(gè)低壓盤(pán)分開(kāi)，所以最少需要兩套APF，成本相對(duì)較高，并且油田主要的諧波源在平臺(tái)，大船的主要問(wèn)題應(yīng)該是無(wú)功，投入此系統(tǒng)有點(diǎn)浪費(fèi)，因此不推薦使用這種補(bǔ)償方式。

●部分補(bǔ)償即在平臺(tái)低壓盤(pán)上接入，此方式可對(duì)整個(gè)平臺(tái)的電網(wǎng)進(jìn)行濾波和無(wú)功補(bǔ)償，比較具有針對(duì)性且有一定覆蓋，能達(dá)到預(yù)期補(bǔ)償效果。

●就地補(bǔ)償即對(duì)單個(gè)的用電設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，例如平臺(tái)對(duì)單口狀況較差的井進(jìn)行補(bǔ)償用來(lái)保護(hù)電潛泵，或者對(duì)單臺(tái)變頻器進(jìn)行補(bǔ)償。此方法針對(duì)的是平臺(tái)上最主要的諧波源但是覆蓋面較小，如果預(yù)算比較少且平臺(tái)其它設(shè)備線性度和功率因數(shù)都比較理想的情況下，那么這種方法是既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的。

綜合以上三種方式可以看出，部分補(bǔ)償具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，其地點(diǎn)選擇在平臺(tái)，能對(duì)平臺(tái)的諧波和功率因數(shù)均起到改善作用，性?xún)r(jià)比較高，具有很強(qiáng)的可行性。本文所提到的有源濾波器不僅能濾除諧波，更能補(bǔ)償無(wú)功，兩方面的效果都很理想。

4.海上電網(wǎng)現(xiàn)狀與推廣前景

目前關(guān)于電網(wǎng)消諧油田還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，只是在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)附帶有無(wú)源濾波，但是由于無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)本身也是個(gè)諧波源，并且無(wú)源濾波又有濾波頻率單一且有可能引起電網(wǎng)諧振這兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，因此其濾波功能相當(dāng)有限。

本文提出的解決辦法是采用有源濾波。隨著當(dāng)今電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的只有消諧功能，而是能實(shí)時(shí)的將電網(wǎng)中的不利因素全部抵消，使電網(wǎng)能達(dá)到基本無(wú)諧波并且功率因數(shù)也比較理想的狀態(tài)。電網(wǎng)諧波和無(wú)功功率同屬于電能質(zhì)量的問(wèn)題，有源濾波能將兩個(gè)問(wèn)題合二為一來(lái)解決，并且兩方面的效果都比較理想，這對(duì)我們節(jié)省支出非常有利。

但是由于現(xiàn)在各個(gè)平臺(tái)已經(jīng)投入了無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，如果再單加一套濾波裝置顯得有些浪費(fèi)并且平臺(tái)的MCC間也都沒(méi)有多余的地方能放下另外一臺(tái)設(shè)備，因此我考慮的是當(dāng)現(xiàn)有的補(bǔ)償系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要或者陳舊了要更換另外一套時(shí)再引進(jìn)有源濾波的設(shè)備，到那時(shí)有源濾波技術(shù)比現(xiàn)在要更成熟一些，性能也會(huì)更加的穩(wěn)定。雖然諧波危害很大，如果加裝的有源濾波器由于不穩(wěn)定使電路發(fā)生諧振，那將是得不償失的，盡管它比無(wú)源濾波產(chǎn)生諧振的可能性小得多。

另外，理論上講，有源濾波器不僅能濾波，還能補(bǔ)償無(wú)功使功率因數(shù)接近1，這是非常理想的情況。但是據(jù)了解由于我們油田采用的是原油發(fā)電機(jī)，其額定功率因數(shù)為0.8，當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)電的功率因數(shù)為1時(shí)，原動(dòng)機(jī)油耗將會(huì)大大增加，并且，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在功率因數(shù)約為1時(shí)，發(fā)電機(jī)組解列的可能性也大大增加（諧振解列的可能性也大大增加）。因此，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償無(wú)功是有利的，但是如果過(guò)度補(bǔ)償，使發(fā)電機(jī)離額定參數(shù)較遠(yuǎn)，則是非常危險(xiǎn)的。目前我們油田發(fā)電機(jī)的平均功率因數(shù)為0.85左右，這就是一個(gè)非常合理的值。如果考慮再增加濾波裝置時(shí)我們可以調(diào)整算法，使其只消除諧波但是不提供無(wú)功，這也體現(xiàn)了有源濾波裝置在油田運(yùn)用中的靈活性。

5.結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)諧波歷來(lái)就是電力系統(tǒng)中難以根除的頑疾，其危害甚大，但是我們只要能將其控制到一定范圍以?xún)?nèi)，保證其所造成的危害達(dá)到最小，那么我們的目的就已經(jīng)達(dá)到。

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