论文部分内容阅读
[摘 要]本文旨在说明海洋石油平台谐波产生机理和谐波造成的危害及其谐波的抑制措施，主要介绍了变频器输入输出端的谐波产生机制以及对变压器、电容器等电力设备，电气设备以及通信设备正常工作造成的影响，最后通过优化谐波源减少谐波产生、非线性设备和其他设备分母线供电实现电源隔离以及加装有源滤波器的措施来消除电网系统的谐波分量，从而提升海洋石油平台的安全性和可靠性。
[关键词]整流器；谐波；设备损耗；有源滤波器
中图分类号：U674.381 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0300-01
1 引言
隨着社会的不断发展，人们对于石油的开采和利用的程度越来越大，陆地石油资源的枯竭，并将促使人们去进行海洋的石油开采，以弥补陆地石油资源的不足。电力电子技术的不断发展，使得大量的电力系统方面的电子设备应用在海洋石油开采平台的电力系统中，极大地方便了海洋石油平台电力系统的调节和控制。然而，电力电子设备的应用带来方便快捷的同时，也使得电力系统的谐波问题严重化，对于海洋石油平台的电力系统以及各种电气通讯设备带来极大的影响，必须采取有效地措施和手段来抑制海洋石油平台的谐波问题。所以对于海洋石油开采平台电力系统的谐波产生的原因以及抑制措施的学习与研究，对于海洋石油平台安全高效地完成开采任务具有非常大的现实意义。
2 海洋石油平台谐波产生及其造成的危害
在海洋石油平台的生产过程中，需要电动机为其提供高效的机械动能，而变频器的应用使得海洋石油平台的电动机系统调节更加方面与智能化，同时其节能降耗、维护简单、可网络化应用等优点更是使变频器在海洋石油平台的电动机系统中大量应用，然而，由于变频器的输入输出端产生大量的高次谐波，当变频器的输入端的高次谐波通过电缆线侵入海洋石油平台的公共电网中，会对电网的电能质量造成影响，进而对连接电网的电气设备造成损害。
2.1 变频器简介
变频器（Variable-Frequency Drive）又称VFD，是利用变频技术和微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备，达到智能控制电动机的目的的设备。变频器的主要构成包括整流电路（交流变直流）、滤波、逆变（直流边交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分构成，所以简单的理解，变频器的主电路的控制电流流程是交流-直流-交流。一般的变频器使用的是380V/50Hz的工频电源，经过变频器的三相桥式整流电路将其变成直流，然后经过电容滤波，经大功率的晶体管开关元件将其频率可调的交流电。
2.2 变频器谐波产生机制
变频器的输入端和输出端均可产生高次谐波，但是产生的机制略有不同。
在变频器的输入端，主要是由于整流回路等非线性元器件的使用而引起高次谐波，由于首先要对电流进行整流处理，三相桥式整流电路中的电压波形为不规则的矩形波，按照傅里叶的幅频变化可知，该电压波形是由基波以及含有6n±1（n=1，2，3…）次高次谐波构成，所以在变频器的输入端会产生高次谐波，如果侵入电力系统中将会对其以及内部的电气设备造成损害。
变频器输出端的信号输出主要是通过PWM载波调制而产生的高次谐波，一般的来讲，对于变频器的大功率晶体开关的逆变器件的载波信号PWM的频率在2KHz～3KHz，而大功率逆变器件的载频可高达15KHz，使用傅里叶幅频变化可知，变频器的电压方波和电流正弦锯齿波均含有高次谐波，含有高次谐波的电流可以对负载产生直接干扰。
2.3 谐波对海洋石油平台的设备造成的影响
由于海洋石油平台是一个相对封闭的小容量的电网系统，抗干扰能力差，所以大量谐波的侵入必然会对电力系统的安全运行造成影响以及对接入电网的电气设备的造成损害。高次谐波的侵入会使输电线路运送的电能损耗增加，热度过高，尤其是当高次谐波的频率与网络谐振点的谐振频率相近时，会极大地影响输电线路的绝缘系统，严重影响了设备利用率和安全性。同时高次谐波经过电网内的电容器时，由于其对高频电路的低阻性，会使电容器的通过的电流量变大，产热增加，严重影响了电容器的使用寿命，严重时甚至会引起爆炸。同样的，谐波经过电力系统的变压器时，也会增加变压器的磁滞损耗和涡流损耗，加剧了变压器的铜损现象，尤其是面对非对称负荷的变压器，更是会增加励磁电流的谐波分量，增加绝缘系统的电磁场强度，对绝缘系统造成破坏。
谐波在海洋石油平台电力系统中，也会对电磁式的继电器的可靠性造成影响，谐波通过继电器时会引起其保护装置和自动装置的误操作，使其可靠性严重降低，使得整个平台存在安全隐患。谐波的存在也会影响平台上的计算机显示器，使得显示屏幕的发生闪动现象，显示图形发生畸变。同时谐波也会通过电厂耦合时，会辐射到附近无线电设备，干扰通信系统的正常工作，对于测量计量仪器也会造成一定的影响，使得指示发生错误，影响平台的正常工作。
3 海洋石油平台谐波的抑制策略
谐波的存在，会对海洋石油平台内的电力设备、通信系统、电气设备等造成影响，严重的情下会造成更大的灾害，谐波俨然成为海洋石油平台的电力系统正常工作的一大危害，所以对于谐波的抑制刻不容缓。
3.1 优化谐波源
对于谐波的抑制，要从源头入手，提升非线性电路的性能，减少谐波的产生，进而提升电网质量。由于变频器内部的整流电路是海洋石油平台谐波的主要产生源，所以可以优化整流电路，采用IGBT技术的整流器或者变频器来降低侵入电网的谐波电流，从而降低电网的谐波电流含量，也可以通过增加整流器脉动数，平滑电流波形，减少谐波分量。
3.2 电源隔离
鉴于谐波对其他电气设备以及电网系统造成的影响，可以可以电源隔离的方法，采用不同的母线对含有非线性电路的变频器等设备以及其他电器设备进行分开供电，从而避免谐波分量侵入其他电气设备的电网系统。对于非线性设备的电网系统母线，可加装隔离变压器或者移相变压器，来保护该电网系统电力设备的安全。隔离变压器通过输入绕组与输出绕组的电气隔离，避免了变频器产生的谐波侵入到供电的电网系统，实现对高次谐波的隔离，而移相变压器则是根据多台变压器之间的相互合作，将谐波内的主要谐波分量进行叠加，使其相互抵消而提升电网系统的电能质量。
3.3 加装滤波器
针对电网内的谐波分量，可以根据实际的经济情况和场地情况加装无源滤波器或者有源滤波器。无源滤波器一般采用LC单调滤波器组和高通滤波器构成，通过与变频器的谐波源并联来达到滤波和无功补偿的作用。无源滤波器成本较低，但是体积较大，容易受系统参数和谐波参数的影响，所以对于结构复杂的工况来说并不适合。有源滤波器是从电网系统中检测出谐波分量，通过滤波器缠上大小相等、极性相反的谐波电流进行中和补偿，从而消除电网中的谐波分量。有缘滤波器不受系统参数、谐波参数以及电网阻抗的影响，可以动态地调节补偿电流的大小和极性来消除谐波分量，将其接入到电网系统中，可以有效地消除电网内的谐波分量。如图1.所示，为串联型的有源滤波器，能够有力地对电容滤波行整流电路产生的高次谐波分量进行抑制。串联型的有源滤波器输出补偿电压能够有效地补偿负荷RC产生的谐波电压，从而有效地优化供电电压波形。
4 结语
海洋石油平台的谐波主要由非线性的设备产生，侵入电网系统后对于其内的电力设备、电气设备以及通信系统造成极大的影响。可以通过优化谐波产生源、隔离非线性设备和其他设备的进行不同母线供电以及加装滤波器，来抑制电网系统中的谐波分量，从而实现海洋石油平台的安全可靠高效地运行。
参考文献
[1] 张辉，陈正伟，林德红.移相变压器对半潜式钻井平台电网谐波抑制[J]. 中国海洋平台. 2010（05）
[2] 夏侯命胜.深水半潜式钻井平台振动及噪声分析研究[D].中国舰船研究院 2011
[3] 徐建东.石油平台谐波抑制措施的选择[J].电气技术.2011（03）
[4] 罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波[J].船舶工程.2007（01）
[5] 段智高.电力推进船舶电网的谐波分析与抑制研究[D]. 新疆大学 2011
[6] 曹靖，王洪起.海上平台电能质量改善[J].电气应用.2011（11）
[关键词]整流器；谐波；设备损耗；有源滤波器
中图分类号：U674.381 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0300-01
1 引言
隨着社会的不断发展，人们对于石油的开采和利用的程度越来越大，陆地石油资源的枯竭，并将促使人们去进行海洋的石油开采，以弥补陆地石油资源的不足。电力电子技术的不断发展，使得大量的电力系统方面的电子设备应用在海洋石油开采平台的电力系统中，极大地方便了海洋石油平台电力系统的调节和控制。然而，电力电子设备的应用带来方便快捷的同时，也使得电力系统的谐波问题严重化，对于海洋石油平台的电力系统以及各种电气通讯设备带来极大的影响，必须采取有效地措施和手段来抑制海洋石油平台的谐波问题。所以对于海洋石油开采平台电力系统的谐波产生的原因以及抑制措施的学习与研究，对于海洋石油平台安全高效地完成开采任务具有非常大的现实意义。
2 海洋石油平台谐波产生及其造成的危害
在海洋石油平台的生产过程中，需要电动机为其提供高效的机械动能，而变频器的应用使得海洋石油平台的电动机系统调节更加方面与智能化，同时其节能降耗、维护简单、可网络化应用等优点更是使变频器在海洋石油平台的电动机系统中大量应用，然而，由于变频器的输入输出端产生大量的高次谐波，当变频器的输入端的高次谐波通过电缆线侵入海洋石油平台的公共电网中，会对电网的电能质量造成影响，进而对连接电网的电气设备造成损害。
2.1 变频器简介
变频器（Variable-Frequency Drive）又称VFD，是利用变频技术和微电子技术，通过改变电动机工作电源的频率来控制交流电动机的电力控制设备，达到智能控制电动机的目的的设备。变频器的主要构成包括整流电路（交流变直流）、滤波、逆变（直流边交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等部分构成，所以简单的理解，变频器的主电路的控制电流流程是交流-直流-交流。一般的变频器使用的是380V/50Hz的工频电源，经过变频器的三相桥式整流电路将其变成直流，然后经过电容滤波，经大功率的晶体管开关元件将其频率可调的交流电。
2.2 变频器谐波产生机制
变频器的输入端和输出端均可产生高次谐波，但是产生的机制略有不同。
在变频器的输入端，主要是由于整流回路等非线性元器件的使用而引起高次谐波，由于首先要对电流进行整流处理，三相桥式整流电路中的电压波形为不规则的矩形波，按照傅里叶的幅频变化可知，该电压波形是由基波以及含有6n±1（n=1，2，3…）次高次谐波构成，所以在变频器的输入端会产生高次谐波，如果侵入电力系统中将会对其以及内部的电气设备造成损害。
变频器输出端的信号输出主要是通过PWM载波调制而产生的高次谐波，一般的来讲，对于变频器的大功率晶体开关的逆变器件的载波信号PWM的频率在2KHz～3KHz，而大功率逆变器件的载频可高达15KHz，使用傅里叶幅频变化可知，变频器的电压方波和电流正弦锯齿波均含有高次谐波，含有高次谐波的电流可以对负载产生直接干扰。
2.3 谐波对海洋石油平台的设备造成的影响
由于海洋石油平台是一个相对封闭的小容量的电网系统，抗干扰能力差，所以大量谐波的侵入必然会对电力系统的安全运行造成影响以及对接入电网的电气设备的造成损害。高次谐波的侵入会使输电线路运送的电能损耗增加，热度过高，尤其是当高次谐波的频率与网络谐振点的谐振频率相近时，会极大地影响输电线路的绝缘系统，严重影响了设备利用率和安全性。同时高次谐波经过电网内的电容器时，由于其对高频电路的低阻性，会使电容器的通过的电流量变大，产热增加，严重影响了电容器的使用寿命，严重时甚至会引起爆炸。同样的，谐波经过电力系统的变压器时，也会增加变压器的磁滞损耗和涡流损耗，加剧了变压器的铜损现象，尤其是面对非对称负荷的变压器，更是会增加励磁电流的谐波分量，增加绝缘系统的电磁场强度，对绝缘系统造成破坏。
谐波在海洋石油平台电力系统中，也会对电磁式的继电器的可靠性造成影响，谐波通过继电器时会引起其保护装置和自动装置的误操作，使其可靠性严重降低，使得整个平台存在安全隐患。谐波的存在也会影响平台上的计算机显示器，使得显示屏幕的发生闪动现象，显示图形发生畸变。同时谐波也会通过电厂耦合时，会辐射到附近无线电设备，干扰通信系统的正常工作，对于测量计量仪器也会造成一定的影响，使得指示发生错误，影响平台的正常工作。
3 海洋石油平台谐波的抑制策略
谐波的存在，会对海洋石油平台内的电力设备、通信系统、电气设备等造成影响，严重的情下会造成更大的灾害，谐波俨然成为海洋石油平台的电力系统正常工作的一大危害，所以对于谐波的抑制刻不容缓。
3.1 优化谐波源
对于谐波的抑制，要从源头入手，提升非线性电路的性能，减少谐波的产生，进而提升电网质量。由于变频器内部的整流电路是海洋石油平台谐波的主要产生源，所以可以优化整流电路，采用IGBT技术的整流器或者变频器来降低侵入电网的谐波电流，从而降低电网的谐波电流含量，也可以通过增加整流器脉动数，平滑电流波形，减少谐波分量。
3.2 电源隔离
鉴于谐波对其他电气设备以及电网系统造成的影响，可以可以电源隔离的方法，采用不同的母线对含有非线性电路的变频器等设备以及其他电器设备进行分开供电，从而避免谐波分量侵入其他电气设备的电网系统。对于非线性设备的电网系统母线，可加装隔离变压器或者移相变压器，来保护该电网系统电力设备的安全。隔离变压器通过输入绕组与输出绕组的电气隔离，避免了变频器产生的谐波侵入到供电的电网系统，实现对高次谐波的隔离，而移相变压器则是根据多台变压器之间的相互合作，将谐波内的主要谐波分量进行叠加，使其相互抵消而提升电网系统的电能质量。
3.3 加装滤波器
针对电网内的谐波分量，可以根据实际的经济情况和场地情况加装无源滤波器或者有源滤波器。无源滤波器一般采用LC单调滤波器组和高通滤波器构成，通过与变频器的谐波源并联来达到滤波和无功补偿的作用。无源滤波器成本较低，但是体积较大，容易受系统参数和谐波参数的影响，所以对于结构复杂的工况来说并不适合。有源滤波器是从电网系统中检测出谐波分量，通过滤波器缠上大小相等、极性相反的谐波电流进行中和补偿，从而消除电网中的谐波分量。有缘滤波器不受系统参数、谐波参数以及电网阻抗的影响，可以动态地调节补偿电流的大小和极性来消除谐波分量，将其接入到电网系统中，可以有效地消除电网内的谐波分量。如图1.所示，为串联型的有源滤波器，能够有力地对电容滤波行整流电路产生的高次谐波分量进行抑制。串联型的有源滤波器输出补偿电压能够有效地补偿负荷RC产生的谐波电压，从而有效地优化供电电压波形。
4 结语
海洋石油平台的谐波主要由非线性的设备产生，侵入电网系统后对于其内的电力设备、电气设备以及通信系统造成极大的影响。可以通过优化谐波产生源、隔离非线性设备和其他设备的进行不同母线供电以及加装滤波器，来抑制电网系统中的谐波分量，从而实现海洋石油平台的安全可靠高效地运行。
参考文献
[1] 张辉，陈正伟，林德红.移相变压器对半潜式钻井平台电网谐波抑制[J]. 中国海洋平台. 2010（05）
[2] 夏侯命胜.深水半潜式钻井平台振动及噪声分析研究[D].中国舰船研究院 2011
[3] 徐建东.石油平台谐波抑制措施的选择[J].电气技术.2011（03）
[4] 罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波[J].船舶工程.2007（01）
[5] 段智高.电力推进船舶电网的谐波分析与抑制研究[D]. 新疆大学 2011
[6] 曹靖，王洪起.海上平台电能质量改善[J].电气应用.2011（11）