APF对海洋石油平台电力系统谐波的抑制效果

彭友君 张 慧

APF对海洋石油平台电力系统谐波的抑制效果

彭友君 张 慧

海上石油平台中变频器的接入会产生大量谐波。为抑制谐波本文基于滞环比较方式控制策略，以锦州南油气田某平台为研究对象，在电网电磁暂态仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建有源滤波器（APF）的仿真模型，分析APF的接入对系统电能质量的影响，仿真结果验证了APF的接入对谐波治理的有效性。

在海洋石油平台上，变频器因其调速范围宽、精度高、系统稳定可靠等一系列优势得到广泛应用，而这种非线性负荷接入是系统产生谐波的根本原因。谐波对海上石油平台电气系统的危害主要存在以下两个方面：一方面会影响各种电气设备的使用寿命，另一方面会干扰计算机、继电保护、控制系统、仪表以及视听设施的正常运行。谐波是关系供电质量的重要问题，为了减少谐波影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近减小谐波。有效方法是装设交流滤波器。

本文基于滞环比较方式控制策略在电网电磁暂态仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建了有源滤波器模型，并结合海洋石油辽东作业公司某平台对其接入的效果进行了仿真研究，结果表明滞环比较方式能够准确快速地实现谐波的检测与消除，起到很好的动态抑制谐波的作用。

并联有源滤波器的模型建立

谐波检测

以瞬时无功功率理论为基础，通过坐标变换和相应的计算得到适用于APF谐波和无功电流的实时检测方法——Ip-Iq法。

定义两相同步旋转坐标轴d-q，且无功轴q轴与电网电压相量重合，有功轴d轴滞后q轴90°。显然，电流相量在q轴和d轴上的投影分别为需要检测的无功电流iq和有功电流id，如图1所示。

图1　瞬时无功、有功电流分解

图2中PLL为锁相环，它能使输出相位和参考相位之间的相位差减小到最小。T32和T分别为ab-c坐标系到坐标系变换矩阵以及坐标系到d-q坐标系变换矩阵，和T-1为分别二者的反变换矩阵。通过坐标变换可以将静止坐标系ab-c中的基波电流变换成旋转坐标系d-q中的直流电流。若a-b-c坐标中电流含有谐波，则d-q坐标中电流也含有谐波。采用低通滤波器（LPF）滤去谐波分量后即输出直流分量再通过逆变换得到a-bc坐标系下基波三相电流ia1、ib1和ic1。用电网电流iLa、iLb和iLc与基波电流相减就得到谐波电流iah、ibh和ich，经反相后作为PWM控制模块的指令电流iaf、ibf和icf。

由于id和iq中既包含工频转化得到的直流分量又包含谐波转化得到的交流分量，为实现谐波检测与补偿，需将直流量通过低通滤波器提取出来。本文采用如图3所示的巴特沃兹型低通滤波器。

电流控制

PWM的控制方式有：三角波比较方式和滞环比较方式。由于APF需要实现对系统中谐波电流的实时跟踪补偿，对时间相应特性要求高。因此，本文采用滞环比较方式的PWM跟踪控制技术。

图4给出了采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制单相半桥式逆变电路原理图。

将三个单相半桥电路组成即可得到三相滞环比较环节。

PWM逆变器

本文采用如图5所示的三相电压型全桥式逆变器，其具有电路拓扑简单、易于控制、功率开关电压应力低等优点。

仿真与实验结果

仿真模型的搭建是在电网电磁暂态仿真程序DDRTS中进行的。以辽东某平台中开关ACB处为研究对象，分析变频器对电能质量的影响，以及APF的接入对谐波抑制作用。某平台由一座中心平台（CEPA）和1座井口平台（WHPB）组成。其部分系统接线如图6所示。

图2　Ip-Iq检测法

图3　巴特沃兹低通滤波器

图4　单相滞环比较PWM电路

图5　三相电压型全桥逆变器

图6　平台系统接线图

图7　A相谐波电流与补偿电流

APF接入系统前

图8　接入APF系统前后电流波形

在平台中进行在线监测分析各处谐波含量，开关ACB处三相电流各次谐波数据如表1所示（列写到7次谐波）。

表1　平台ACB母线三相谐波

由表1中数据可知，谐波主要由5次和7次构成，且5次、7次谐波均超过国标允许值，其中7次谐波尤为严重，超出国标值5倍。这主要是因为系统中变频器采用6脉冲整流技术，运行时产生5、7、11、13、…等（6n士1）次谐波电流。

设置仿真时间10s，设定APF在0.2s时刻接入开关ACB所在的400V母线处。APF的谐波检测模块中选用3阶巴特沃兹低通滤波器，根据表2，为滤出直流分量，截止频率选为10Hz。则传递函数为：

图7中I_sa表示谐波检测模块检测到的A相谐波电流（已反相，方便对比），图8上部波形为谐波模块检测A相谐波电流，下部波形表示APF输出的A相补偿电流。

图7中可以看出补偿电流与谐波电流的波形大小相等，方向相反。

图8为ACB母线侧接入三相电流补偿效果对比。在0.2s时刻投入APF后，可以看出之后谐波电流明显减少，补偿效果明显。

结论

本文基于滞环比较方式控制策略在电网电磁暂态仿真程序（Digital Dynamic Real Times Simulator）中搭建了有源滤波器模型，并结合辽东作业公司某平台对其接入的前后效果进行了仿真研究，结果表明滞环比较方式能够准确快速地实现谐波的检测与消除，APF的接入能起到很好的动态抑制谐波的作用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.001