中海油能源发展装备技术有限公司 天津塘沽 300452
摘要：本文通过对海上平台谐波及无功综合治理技术进行深入探讨与应用分析研究。旨在掌握关键技术，设计探索出一套适合海上平台，及无功补偿、谐波治理为一体的电能质量治理装置，能够适应大部分海上平台的电力系统电能质量改造作业的需求。
关键词：海上平台；谐波；无功补偿；电能质量
随着海上平台生产设备自动化程度、精度要求越来越高，生产工艺复杂，生产设备特殊等，其中运用了大量电力电子技术，如变频器、整流设备及直流设备等。电力电子设备在带来方便、高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，对海上电网注入大量的谐波和无功功率，电能质量有明显恶化的趋势。
谐波及无功功率对海上用电系统的危害十分严重。谐波和无功功率能使电能的生产、传输和利用的效率降低，使海上平台的电气设备过热、产生振荡和噪声，并使绝缘老化，使用电设备寿命缩短，甚至发生故障或者烧毁。谐波可引起海上平台电力系统局部并联或串联谐振，使谐波含量放大，造成用电设备烧毁，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备、精密仪器等在海上平台的普及应用，谐波会对通信设备和电子设备等精密仪器的产生严重干涉。因此海上平台用电设备对电网的供电质量要求越来越高，海上平台用电系统对谐波含量及用电设备的功率因数提出更严格的要求。
传统的无源滤波器和无功补偿方法是用电力电容器和电抗器等无源器件构成无源滤波和电容补偿技术，存在如下缺点：只能滤除固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振，导致烧毁用电设备等安全事故；只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；其滤波特性受系统阻抗等参数影响较大，如果改变海上平台用电系统的最初的设计阻抗参数极易引起某次滤波器失效、谐振而使谐波放大，对海上平台用电系统以后的扩容和升级带来不稳定因素。
因此，对海上平台谐波及无功综合治理技术研究与应用，对海上平台的电力系统和生产设备的安全性、可靠性、经济性具有现实意义。
谐波及无功综合治理技术研究与应用，主要内容分为以下四个部分：对海上平台配电系统电能质量问题的研究；对无功补偿技术的研究；对谐波治理技术的研究；对适合海上平台用的无功补偿和谐波治理集成一体的电能质量治理装置的研究优化。
1 对海上平台配电系统电能质量问题的研究
我公司受某作业分公司的委托，对某平台供电系统，进行电能质量检测。检测内容包括：电压谐波含量，电流谐波含量，功率因数，电压偏差，频率偏差，不平衡度等。
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（红色、黄色标注为存在电能质量问题）
2 对无功补偿技术的研究
无功功率：电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有的电网容量叫无功，用Q表示这种能量交换的幅度。无功功率的表达式
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…………（1）
式中无功的单位为Var（乏），线电压的单位为V（伏），视在电流I单位为A（安）。
功率因数：在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相角差决定的，这种情况下，功率因数常用cos
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表示。视在功率S=UI,有功功率P=UIcos
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…………（2）
无功功率在电力系统中分为以下几种：
感性无功：电流矢量滞后电压矢量90度。（如：电动机、变压器线圈、晶闸管变流设备等）；
容性无功：电流矢量超前电压矢量90度。（如：电容器、电缆输配电线路、电力电子超前控制设备等）；
基波无功：与电源频率相等的无功；
与电源频率不相等的无功。
无功功率在电力系统中的影响很大，会增加设备的容量，无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备的容量和导线容量增加。设备及线路损耗增加。使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
电压是衡量电能质量的重要指标，电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电源的无功处理应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出在无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。
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…………（3）
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…………（4）
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…………（5）
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表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用；
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表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。
无功补偿的方法有以下几种：
同步发电机：调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率；
同步发电机：与前者的区别主要在于发电机位于发电厂，而电动机位于用户处。
同步调相机：当同步发电机不带负载而空载运行，专门向电网输送无功功率时，称为同步调相机。主要装于枢纽变电所。
并联电容器：可提供超前（容性）无功功率，多装于降压变电所，亦可就地补偿。
静止无功发生器：应用电力电子器件，自动跟踪电网无功变化，向电网输送容性或感性无功功率，如SVG。
通过各种补偿方法的对比，最优的补偿方法静止无功发生器，也是补偿行业内最新成熟的技术。
补偿容量的确定用下式计算：
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…………（6）
Q——需要补偿的无功容量kVAR；
P——考核点处所有负荷的有功功率KW；
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——补偿前系统功率因数；
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——补偿后系统功率因数。
3 对谐波治理技术的研究
频率为
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的分量为基波，频率为大于1的整数倍基波（50Hz中国）频率的分量称为谐波。谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。
正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为
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的非正弦电压
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，一般满足狄利赫里条件，可分解为如下形式的傅里叶级数
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…………（7）
n次谐波电压含有率以
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表示，
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…………（8）
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——第n次谐波电压有效值（方均根值）；
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——基波电压有效值。
n次谐波电流含有率以
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表示，
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…………（9）
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——第n次谐波电流有效值；
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——基波电流有效值。
电压谐波总畸变率
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和电流谐波总畸变率
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分别定义为
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…………（10）
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…………（11）
理想的共用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公共电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，主要危害有以下几个方面：
1)谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾；
2)谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；
3)谐波会引起公共电网中局部的谐振
4)谐波会导致几点保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量不正确；
5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者引进噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
一般变频器、整流器等电力电子设备的特征谐波，三相六脉动整流设备含有5、7、11、13等次（6n
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）的高次谐波，六相十二脉动整流电路含有：11、13、23、25…（12n
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）次高次谐波。
在实际计算有源滤波器的补偿容量时可根据测试数据中的电流值（有效值）和电流畸变率（THDi）来计算谐波电流值。
计算公式分析如下：
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且
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通分
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…………（12）
4 对适合海上平台用的无功补偿和谐波治理集成一体的电能质量治理装置的研究
4.1静止无功发生器SVG模块的总体设计
静止无功发生器SVG的工作是建立在一个同步电压源的基础上，如图1所示。该电压源由一个IGBT电压型变流器构成，经串联电抗器与电网相连。
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图1静止无功发生器SVG模块主电路图
静止无功发生器SVG其主要设计原理是IGBT逆变装置将直流电压逆变成交流电压，并控制该交流电压的频率、幅值和相位，从而实现整个装置输出无功调节功能，直流电容器为装置提供直流电压支撑（相当于调相机的励磁装置），并对直流电压起到平波作用。控制器的设计主要起到控制、保护、监测的作用，可快速检测系统的电压、无功变化，计算装置所应提供的无功容量，并据此实现出发脉冲产生和分配，并对成套装置实现分层分机的保护，监测单元通过独立的采集系统，对系统状态和装置运行状态进行监测，并可根据现场需要实现远程通讯功能。
4.2有源滤波器APF模块的总体设计
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图2有源滤波器APF模块主电路图
有源滤波器APF其主要设计原理是由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两部分组成。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。主电路采用PWM变流器。
有源滤波器通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
4.3两种模块的结构设计
静止无功发生器和有源滤波器均采用模块化设计，内部结构分层布置，最底层为散热片，与底板形成散热通道，前端装有散热风机，中层为主电路部分，包括核心器件IGBT、电抗线圈、薄膜电容等一次器件，上层为监测电路、主控电路和采集电路等二次电路，这样的优化设计做到最好的散热性和电磁兼容性。
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图3 APF、SVG结构图
为了实现两种模块的一体化集成、热插拔和在线冗余的优化设计，模块后端是一次进线端子、采样端子和通讯端子等端子都采用热插拔端子，这样的端子设计免除了装卸模块时对一次和二次接线的拆卸工作，既节省维护时间，又做到了安全可靠，还不影响其他模块的正常工作，在模块两端设计有滑道，模块尾部优化设计有定位销，大大简化了装卸模块的难度。
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图4静止无功发生器SVG端子图
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图5有源滤波器APF端子图
4.4两种模块集成电能质量治理装置的总体设计
将静止无功发生器和有源滤波器两种模块集成在一个机柜里的核心技术问题有机柜整体散热问题，采样信号问题，主电缆接入问题，和集、分控制问题。经过一系列的论证试验，最终采取各个模块分别散热方式，可以保证每个模块的温度基本保持一致，总体温度不会超过报警值。在采集信号的设计上，我们采用了多点采样，集中求和的方案，最终使得两种模块可以共用一个采样电流串联即可。在控制上由于两种模块的功能不同，我们采用分别控制的方案，采用两种不同的控制器分别控制，在人机界面上也采用两种人机界面，方便用户和调试人员操作，并防止误操作等。
5 结论
海上平台用电设备对电网的供电质量要求越来越高，海上平台用电系统对谐波含量及用电设备的功率因数提出更严格的要求。
本套海上平台无功补偿、谐波治理为一体的电能质量治理装置的研发，能够有效的改善谐波和功率因数等数值，达到国家标准，满足设计要求。通过海上平台谐波及无功综合治理技术的应用不但创造了经济效益，而且推动了海上平台电气智能化的发展，从而保障了海上电力电网的安全稳定运行，为海上平台的稳定生产打下了坚实基础，具有重大现实意义。
参照的相关规范如下：
[1]《船用交流低压配电板通用技术条件》 GB/T 11634-2000
[2]《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》GB/T 15576-1995
[3]《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》GB 7625.11998
[4]《电子转换模块粗/精数据双速处理器详细规范》GB 1231.9-1993
[5]《电能质量供电电压允许偏差》GB/T12325-2003
[6]《电工电子产品环境试验设备检验方法总则》GB/T 5170.1-2008
[7]《移动式平台及海上设施用电工电子产品环境试验一般要求》GB/T 13951-2016
[8]《外壳防护等级（IP代码）》GB 4208-1993