张义锋

摘 要：本文首先阐述了有源滤波器（Active Power Filter，APF）的基本工作原理，并与无源滤波器（Passive Power Filter，PF）的特性进行了比较，进一步分析了APF的优势与作用，接着以某海上油田平台为例进行实例仿真，分别验证了APF与PF对海上平台电能质量改善的效果，然后进行APF与PF应用效果比较分析，结果表明，与PF相比，APF在谐波抑制方面的效果尤为显著，同时还具有提高功率因数、降低损耗等功能。

关键词：海上平台;电能质量;APF;应用效果

0 引言

海上平台主要用于海上油气勘探开发，也因此应用了大量泵型大型电动机，在此背景下，其电力系统电能质量存在的主要问题[1-3]有以下几点：①为了控制电动机工作，大量变频器被使用，导致海上平台电网电流谐波的污染严重，容易造成设備误动作、设备自动跳闸、甚至元件烧毁等故障;②大功率交流电机的使用，使得供电电网的功率因数偏低，目前一般使用独立的无功补偿装置进行电压调节;③冲击性负荷给供电电网造成的电压波动甚至闪变等。有源滤波器能同时满足谐波抑制与无功补偿功能，有效改善电能质量，尤其适用于海上平台电力系统的场景，此外，鉴于APF一机多能的特点，应用APF还能提高经济效益性。

1 有源滤波器的基本工作原理

APF是一种能实时动态补偿无功、抑制谐波的新型电能质量调节装置，弥补了无源电力滤波器等传统的无功补偿和谐波抑制装置的局限。APF的基本原理主要通过外部电流互感器CT，实时检测改善对象的电压和电流，经内部的运算电路计算得到一个与谐波源大小相等、相位相反的补偿电流，然后与改善对象中待补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流和电压。

如图1所示，通过谐波电流检测电路模块采集负载电流信号，并将谐波成分分离，然后谐波成分被传输到控制电路的运算电路中，运算电路将采集到的谐波电流成分与APF输出补偿电流进行比较，得到的差值作为实时补偿信号输出到PWM逆变电路中，触发逆变电路中的逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，从而实现滤除谐波的效果。

2 有源滤波器的特点与作用

目前广泛应用的电能质量调节装置是LC谐振型PF，该类PF具有成本低廉、容量大、运行效率高等优点，通常由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，其原理主要是根据电阻、电容固有的阻抗特性，对某一特定频率的谐波呈低阻抗性，使该频率下的谐波流入滤波器，不注入电网达到滤波效果，因此无源滤波器只能消除特定频次谐波。其性能参数与阻抗特性相关，容易受系统阻抗特性影响，对抑制谐波次数多变的负载谐波效果不好，严重可能会发生谐振现象，使LC滤波器过载甚至烧毁。

随着大功率可关断器件（GTR，GTO，IGBT等）的技术不断进步，作为抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置APF得到迅速发展，与PF比较，APF的特点与作用主要体现在以下几个方面：

①实时抑制谐波，APF能快速响应负荷的变化整体变化及谐波含量变化，迅速实现完全跟踪补偿，可以高效地滤除负载中2～25次等高次电流谐波;

②动态补偿无功，抑制电压波动与闪变，无功补偿时可实现连续调节无功的大小;

③改善三相负载不平衡，在设备容量充裕的情况下，可自定义设定谐波补偿与无功补偿容量分配比例，达到改善电力系统三相负载不平衡的目的;

④不受电网阻抗影响的影响，可在容量允许范围内，有效抑制电网谐振;

⑤补偿过程中，应用储能元件的容量需求较小;

⑥能适用于电流过大的补偿对象;

⑦既适用单个补偿对象，也能进行多个补偿对象集中补偿;

⑧具备过流、过压、欠压、高温、测量电路故障、雷击等多种保护功能，以确保装置和电力系统安全运行;

⑨负载较轻时能自动退出运行，具有良好的经济运行性。

3 滤波器的应用效果实例分析

以渤海海域某油田群的电力系统为例，在该海上油田平台电网上分别进行安装无源滤波器以及有源滤波器，通过电能质量测试仪对相关指标的结果进行检测，分别得到接入调节装置前、接入无源滤波器后以及接入有源滤波器后的测试数据如下表1所示。

由表1数据可发现：功率层面，APF有功功率上升14kW，主要是由APF自身功耗及功率因数调节后系统功率波动造成，由于消除了谐波电流所耗功率，因此视在功率下降了44kW，功率因数由0.93提高到0.97;PF有功功率下降14kW，主要是由PF自身功耗及功率因数调节后系统功率波动造成，由于消除了谐波电流所耗功率，因此视在功率下降了87kW，功率因数由0.93提高到0.98;比较两者功率和功率因数变化，可发现APF自身功耗相较PF会稍高，两者均有无功补偿的作用。

电流层面，APF电流畸变率由26.30%改善后为7.2%，畸变率降低了19.10%;PF电流畸变率由26.30%改善后为13.9%，畸变率降低了12.4%。APF改善电流畸变的效果是PF的1.54倍。

电压层面，APF电压畸变率由原来10.7%改善为2.5%，降低了6.9%;PF电流畸变率由10.7%改善后为8.5%，畸变率降低了2.2%;APF改善电压畸变的效果是PF的3.14倍。

由图2可看出，经过APF调节后5、7、11、13次谐波分别降低了355.7A、108.9A、49.0A、40.8A，7、11、13次谐波电流已经趋于0;而经过PF调节后5，7，11，13次谐波分别降低了269.0A、18.4A、18.4A、30.1A。由图中可看出，PF对于7次谐波电流改善程度较差，由此可见，PF存在着某特定频次谐波无法消除的弊端，而APF对各频次谐波电流都有较大程度的消除效果。综上，无源滤波器与有源滤波器都对谐波产生了抑制作用，但有源滤波器的效果更为显著。

由图3、图4可发现APF投运后，负载的电流波形由原来未投运APF时的锯齿状改善为正常的正弦波。

4 结束语

通过阐述有源滤波器的基本工作原理，并与无源滤波器的特性进行比较，分析得到APF具备实时抑制谐波、动态补偿无功、改善三相负载不平衡等功能，接着以某海上油田平台为例进行实例仿真，通过APF与PF对海上平台电能质量改善效果的验证与比较分析，结果表明，PF与APF同时具有提高功率因数、补偿无功、降低损耗等功能，但PF存在着某特定频次谐波无法消除的弊端，不及APF谐波抑制效果明显。而海上油田平台最显著的电能质量问题是谐波污染严重，因此，安装APF更有利于改善海上油田平台的电能质量。

参考文献：

[1]陈洲.海洋钻采平台电力谐波分析与有源滤波器设计[D].北京：华南理工大学，2013.

[2]彭友君，张慧.APF对海洋石油平台电力系统谐波的抑制效果[J].中国科技信息，2015（17）：17-18.

[3]吴飞.有源滤波器在海上油气田电力系统中的应用研究[J].大科技，2016（33）：99-100.