深水钻井船的电网谐波抑制研究

茌宏理，窦金生

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

深水钻井船的电网谐波抑制研究

茌宏理，窦金生

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

针对深水钻井船的电网谐波抑制问题，采用并联有源滤波的控制方法来实现谐波抑制。通过用matlab软件构建一个并联型有源电力滤波器，来模拟并联型有源电力滤波器减少电网谐波的实验，并与未经过滤波器处理的仿真波形进行对比分析。仿真结果验证了该方法的可行性。

钻井船；电网；谐波；并联型有源电力滤波器

近年来，油田的开采[8-10]从浅海到深海逐渐发展，电力负载也逐渐增大，电力电子技术也得到了广泛的应用，因而电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也会改变原有的电网电压和电流，通常认为电力系统谐波污染的程度与非线性设备数量和额定容量成正比[1-3]。目前，非线性设备数量和额定容量都在相应的增加，因此电力系统中的谐波危害问题也日益加重，已经成为了制约电能质量的一个关键因素，并极大的危害了电力系统的经济、安全、稳定的运行，而另一方面优质的电能质量需求存在于供电方及其电力系统设备，用户及其用电器，这一矛盾使得人们对谐波危害问题越来越重视。据某日报报道，我国因为电能质量较差问题带来了每年高达400多亿元的电能损失，冶金，矿山，铁路等企业的大量非线性设备及较大的额定容量造成谐波指标严重超出正常值，因谐波问题导致电网大面积停电甚至电力系统解列等事故也会经常出现在媒体的报道中。从而，我们更应该深入对电力系统的谐波研究，降低由谐波问题带来的危害。具有高度可控性、快速响应性等优点的有源电力滤波器逐步被研发，能对谐波造成变化的频率和幅值都进行补偿，因而有源电力滤波器受到广泛的重视。

1　有源电力滤波器的工作原理

谐波的抑制为专家和工程技术人员提出了一个重要的课题。一般来说，抑制谐波可以从两个方面入手，一是减少谐波的产生，二是安装谐波补偿装置。

电力电子装置是电力系统中最重要的谐波源，而在电力电子装置中，整流器又占最大的比例。所以，可将整流器视为最主要的谐波源。减少谐波就是要是整流器不产生谐波，并且功率因素达到1。这种整流器称为高功率因素整流器。目前，高功率因素整流器多半采用PWM整流技术。

其中之一是LC调谐滤波器，它结构简单，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率。是一种应用广泛的谐波补偿装置。LC滤波器的作用是滤除高次谐波。一般情况下，单调谐波滤波器用于滤除某个奇次谐波，若要滤除几个奇次谐波，则要相应地用几个单调谐滤波器的并联，如果要滤除偶次谐波，则要采用偶此谐波滤波器，对于幅值较小的高次谐波，可以采用高通滤波器将其一并滤除。其缺点是只能对某一个固定频率的谐波进行补偿，若要对多次谐波进行补偿时，必须采用多个LC调谐滤波器，其结构变得相当复杂。另外，LC调谐滤波器的补偿特性受电网阻抗的影响较大，极易与系统发生谐振，导致谐波电流放大，造成LC调谐滤波器被烧毁。LC滤波器通常又称为无源滤波器[4-7]。

图1所示，U为电网电压，Z为电网负载，其中由电流检测部分、PWM部分和主电路部分组成有源电力滤波器。电流检测器的是用来检测负载中的无功电流分量和电流谐波分量，PWM为逆变电路的控制电路，主电路是用来对功率双向传输的逆变电路，PWM部分和主电路部分是用来补偿负载中的无功电流分量和电流谐波分量。

图1　有源电力滤波器的结构原理图

电网电流IS由有负载电流IL和补偿电流IC两部分组成，即

由于IC跟踪指令信号I*C，所以IC=I*C，那么

由于IC是通过把负载电流IL中的谐波电流分量In和无功电流分量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，有源电力滤波器对谐波分量进行了抑制和对无功电流分量进行了补偿。根据逆变器在直流所用的储能元件的不同，有源电力滤波器可以分为两种类型，储能元件为电容器时，为电压型有源电力滤波器。他的优点是效率高，是常采用的一种形式。储能元件为电感器时，为电流型有源电力滤波器。由于储能电感器中有电流流过，会产生较大的损耗，效率较低。

文中要重点介绍的滤波装置，它由VMOS，IGBT等开关器件组成的，采取PWM控制方式的谐波电流发生器，它可以产生幅值，相位和频率均可变的谐波电流，用以抵消电网中相应的谐波电流。另外，还可以用来补偿电网的无功功率。有源电力滤波器的优点是补偿特性不受电网阻抗的影响，并且对谐波分量实现跟踪补偿，在电力系统中被广泛使用。并联型有源电力滤波器的原理框图如图2所示:

图2　并联型有源电力滤波器的原理图

2　实例仿真

2.1并联型有源电力滤波器仿真

文中以深水钻井船电网为构架，采用并联型有源电力滤波器来抑制电网谐波。将封装成的并联型有源电力滤波器的子系统连接到含有非线性负载的电网中进行仿真。在该仿真中，包含电网电源，并联型有源电力滤波器，三相断路器，整流电路（非线性负载）。如图3所示，电网电源参数设置中，电压值：4 160*sqrt（2）/sqrt（3）；A相位：0度；B相位：-120度；C相位：120度；频率：60 Hz；该电网起初，电压和电流都是呈正弦状的波形，但一旦接入谐波源，也就是程序中的整流装置后，产生大量的谐波，使电网电流发生畸变，使电网质量受到影响。

图3　并联型有源电力滤波器仿真模型图

2.2仿真分析

图4是未经过滤波器处理后负载电流的波形图。

图4　负载电流变化仿真图

图5是经过滤波器处理后的负载电流的波形图。

图5　电网电流变化仿真图

从图4中我们可以看到波形发生了畸形，严重的偏离了原始的电网电流的正弦波。如论是改变谐波源的电流大小，还是谐波源的投入使用个数，谐波总是存在，电网电流的波形呈现出不对称，远远达不到所要求的正弦波形状，此时的电网质量是很差的。当接入有源电力滤波后，如图5所示可知电网电流的波形由原来的形状不规则，变为正弦波。虽然在仿真过程中，经过了谐波源的电流大小和谐波源个数的变化，但是这不会影响滤波器的处理功能，它能很好的对电网中的谐波进行补偿。

3　结　论

深水钻井船的负载通常都非常大，尤其是推进负载和钻井负载。一旦这些大型负载接入到电网中，产生的谐波危害也是十分巨大的，严重的影响到了船舶电能质量。因此，通过对电网中的非线性负载与并联型有源滤波器相连接可以非常有效的抑制谐波，从而可以提高电能质量，进一步提高了钻井船的安全运行。

[1]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2005.

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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稿件编号：201511026

茌宏理（1989—），男，江苏徐州人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。