有源滤波装置在船舶及海洋模块钻机中的应用

周新刚，何玉成

(1.中海油能源发展油建分公司工程设计研发中心， 天津 300452;2.深圳海亿达电子有限公司， 广东 深圳 518057)

0 引言

随着我国海洋事业的蓬勃发展，大型多功能商业和工程船舶以及海上钻采平台的功能越来越丰富，电站装机容量越来越大，以大功率变频装置驱动的电动机所占比例也越来越高。变频器驱动除了能够满足对设备精确控制外，大量的可控硅、IGBT电子设备的应用势必会在系统中产生谐波。谐波的危害众所周知，特别是对于海上船舶、钻采平台这种电站装机容量小的电力孤岛，危害更为明显。

人们也越来越意识到并逐步实施对于谐波的治理工作，近几年建造投用的大型船舶和海上钻采平台在设计初始就采用增加滤波器等谐波治理措施，对于早年投用的船舶和海上钻采平台，由于投用时间久，期间经历过不同程度的改造以及设备、电缆等均有不同程度的老化，谐波治理将更为复杂。因此，采用现有成熟可靠的技术和设备解决船舶和海上钻采平台谐波问题尤为重要。

1 BZ28－2S模块钻机谐波治理

根据中海油BZ28－2S油田开发需要，在该油田新建的BZ28－2S平台上设置一ZJ50/3150钻机，用于初期钻井、完井作业以及后期修井、打调整井和侧钻井等作业的要求，该钻机现已投入使用。在设计阶段，根据谐波分析结果，系统谐波畸变率达到了30%左右，因此考虑采用有源滤波装置对系统谐波进行治理。该钻机电力系统见图1。

图1 BZ28－2S模块钻机电力系统简图

1.1 谐波治理方案选择

目前电力系统谐波治理主要存在两大主流方式:无源滤波和有源滤波。由于变频器产生的谐波主要是 (6n±1)次谐波，而无源滤波装置对每次谐波都要单独设计LC单谐振回路，设计参数要跟系统阻抗有关，无缘滤波不能对谐波完全消除，反而存在着放大谐振的危险，电容的老化也会使原来设计谐振点偏移而达不到滤除目标谐波的目的，无缘滤波装置适合负荷单一、变化率小的稳定场合。

有源滤波可消除与系统阻抗发生谐振的危险，具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。其基本原理是从谐波源 (被补偿对象)中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱，用以抵消谐波源所产生的谐波电流，从而使电网电流只含有基波分量。其核心部分是谐波电流发生器及其控制系统，其工作靠数字信号处理 (DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管 (IGBT)来完成反向谐波电流的输出。

与无源滤波装置相比，有源滤波装置具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理，滤波特性不受系统阻抗的影响。

基于以上分析，我们采用有源滤波装置进行谐波治理。在选型时，我们采用了具备国际领先水平的主动控制动态谐波注入 (OCDI)技术的RESINE有源滤波装置。因为它既可以有效滤除2－51次谐波，又可以在交流电压200～690 V之间选择。从图1可以看出，作为谐波源的变频器有多台，所以宜采取集中治理的方案，即在2台变压器低压母线段分别配置一套有源滤波装置进行谐波治理。

1.2 有源滤波装置补偿电流计算

A段母线负载共计1020kW，B段母线负载共计1140kW。根据实际经验，变频器带负载运行时，母线处的功率因数约为0.85。则 A段、B段母线上的最大工作相电流分别为:

对于本系统，变压器低压母线上最大谐波电流，一般按照最大负荷时畸变率为30%计算，即:

按照全滤波方式选择滤波装置，A段、B段母线上配备滤波装置的容量分别为330 A/相、400 A/相。

1.3 滤波效果评估

经过现场调试，该套有源滤波装置于2009年9月份在海上投入使用。表1为变频供电系统A段母线 (B段母线略)在滤波装置投运前后 (负载相同)的测试数据和电压/电流波形对比，从中可以看出滤波器投入后对谐波的抑制效果。

表1 A段母线在滤波装置投运前后测试数据对比

表1中谐波衰减比:HAR=ILh/ISh，其中，ILh为负载侧谐波电流，ISh为电源侧谐波电流。滤波装置投运后，若无法得到负载侧谐波电流，则HAR近似等于投运前谐波电流与投运后谐波电流之比。

2 海上孤岛电力系统特点

目前船舶和海洋石油生产设施均是由自备电站供电的电力孤岛，与外界电源无直接联系，通常电力孤岛机组容量装机小 (几百千瓦～几千千瓦)，负荷率高，具有抗冲击和干扰能力弱、易振荡、运行方式复杂等特点。

大功率变频驱动负荷占有很大比例，以模块钻机为例，在总共3300kW的总负荷中，泥浆泵、绞车、顶驱这些负荷为2167kW，所占比例为65%，泥浆泵在工作时所需功率达到1560kW，顶驱、绞车等这些设备在工作时负载频繁大量的突加突卸，常规的拖动手段无法满足要求。

随着船舶向大型化、高速化、节能化、自动化和高新化的方向发展，越来越多的船舶采用电力推进系统，对于浮吊、铺管船等功能要求高的大型船舶，推进定位、锚机定位系统尤为重要，选用电力推进方式不但可以减小体积和质量，有利于船舶整体布局，提高船舶的营运率，同时可以更合理地选择螺旋桨尺寸和转速，螺旋桨受到的波浪或冰块的冲击不会直接传给原动机，实现驾驶室遥控和驾驶自动化。这些电力推进系统所需电力占到系统总装机容量50%以上。

正是海上电力孤岛的装机容量小，而孤岛系统中大功率变频驱动装置又占有很大比例，因此所产生的谐波对于小容量系统影响将会更大，相比陆地电网等其他电力网络，海上电力孤岛的谐波问题应该引起我们足够的重视。

3 治理谐波改造

谐波污染是电力系统中不能忽视和回避的问题，直接影响供电质量和设备寿命，尤其是采用大功率变频系统拖动的船舶和海上平台钻机。对于新建项目可以在设计初始就采用谐波抑制手段，但是老系统的改造是我们经常面临的棘手问题。

投用初期，系统内固有的谐波对系统影响并不明显，随着投用时间越来越长，设备、电缆等也出现正常老化，固有谐波则会加速老化，不利影响逐渐显现，造成系统内不明原因的跳闸、关断等情况，原因排查很困难，而且下次故障很难预料和判断，这类情况严重影响了船舶和海上模块钻机的正常使用，甚至会导致抛锚、停产等严重事故，因此对于老系统的电能质量治理更为迫切和重要。

对于老系统谐波改造，首先要利用软件建立电力系统模型，进行系统整体谐波分析，确定谐波含量，找出系统内主要的谐波源，明确国标和船检对谐波的相关要求，再根据系统波源的分布确定集中治理和分散治理方案，施工安装后进行系统调试，调整滤波器的参数设定，最终达到将系统谐波控制在标准允许范围内。

目前滤波器实现了模块化生产，单体容量为100～300 A，根据实际需要可选择大容量单体设备或小容量多级串联连接，这种模块化的结构极大地降低了安装施工难度、减少占地空间，对船舶和海上钻机空间非常宝贵的设施来说很有实际意义。

4 小结

采用RESINE有源滤波装置，在海油平台钻机模块上对变频供电系统进行谐波抑制、提高电能质量，是很有价值的尝试，并且收效明显:谐波电流和谐波电压降低到了国标允许值以下、功率因数明显提高 (12.5%)、能效提高10%以上、减少了对上级电网的污染，取得了令人满意的成果。同时也为老系统谐波抑制的改造提供了宝贵经验，为解决该类问题提供了新的思路。

［1］GB/T 14549－1993，电能质量 公用电网谐波 ［S］.

［2］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范 ［M］.人民交通出版社，2005.

［3］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册－电气分册［M］.国防工业出版社，1997.