摘要：在我國油田配電網(wǎng)中，因變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和負(fù)載不平衡等原因，存在大量的高次諧波。諧波會(huì)造成電壓波形畸變，帶來較大的能耗。本文分析了油田諧波產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并針對有源濾波器在諧波抑制中應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的分析，并進(jìn)行了相關(guān)方法的仿真。

　　關(guān)鍵詞：有源電力濾波器;感性負(fù)荷;空間矢量;PWM控制;PLC;電氣自動(dòng)化

　　引言

　　油田配網(wǎng)因存在大量電力電子設(shè)備和大量感性負(fù)荷等原因，諧波一直是電網(wǎng)二次污染的原因。有源濾波技術(shù)因可以主動(dòng)向電網(wǎng)逆變與諧波同幅值，反相位的波形進(jìn)而有效濾波，而且不存在無源濾波器“頻率偏移”和“諧波放大”的問題，因而日益受到重視和應(yīng)用。

　　1 諧波概念

　　“諧波”這個(gè)詞來源于聲學(xué)。早在二三十年代，電力系統(tǒng)的諧波問題就引起了人們的關(guān)注。當(dāng)時(shí)，在德國，靜止汞弧變流器的使用導(dǎo)致電壓和電流波形失真。1945年J.C.Read發(fā)表的關(guān)于轉(zhuǎn)換器諧波的論文是早期諧波研究的經(jīng)典論文之一。諧波的數(shù)學(xué)分析建立于18和19世紀(jì)。由傅里葉等人提出的傅里葉分析法至今仍被廣泛應(yīng)用。諧波產(chǎn)生的主要原因是由于施加在非線性負(fù)載上的正弦電壓會(huì)使基波電流發(fā)生畸變而產(chǎn)生諧波。非線性負(fù)載主要有 ups、開關(guān)電源、整流器、逆變器等，泛音是一種物理諧波，但其程度的定義略有不同。基波頻率2倍的音頻稱之為一次泛音，基波頻率3倍的音頻稱之為二次泛音，以此類推。

　　2 油田諧波產(chǎn)生的原因和危害

　　油田設(shè)備中存在功率極大的沖擊性負(fù)荷如鉆井平臺，還有很大比例的波動(dòng)性負(fù)荷如抽油機(jī)，他們在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。此外，因生產(chǎn)需要，變頻調(diào)速技術(shù)和直流公母線得到了日益廣泛的應(yīng)用。以上技術(shù)需要大量含有半導(dǎo)體非線性元件的電力電子設(shè)備。一方面，這些設(shè)備工作在通斷模式下，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波;另一方面，他們本身對諧波較為敏感，諧波含量過高會(huì)影響到觸發(fā)脈沖的生成，進(jìn)一步影響其控制系統(tǒng)的正常工作。

　　油田配網(wǎng)為35kV及以下電壓等級，配置的是三段式電流保護(hù)。諧波會(huì)削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，油田常因諧波問題發(fā)生設(shè)備非正常啟停的故障。這使設(shè)備自身安全性能降低，電力計(jì)量儀表的誤差增大。通過諧波治理可以保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行。

　　3 諧波治理方案分析

　　諧波抑制是改善電能質(zhì)量，確保電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段之一。一般來說，抑制諧波可以從兩方面入手：一方面是主動(dòng)抑制方法，另一方面是被動(dòng)抑制方法。

　　3.1 主動(dòng)抑制方法

　　電力電子裝置是油田電力系統(tǒng)的重要諧波源，整流器在電力電子設(shè)備中所占比例最大，因此整流器被認(rèn)為是最重要的諧波源。為了減少諧波的產(chǎn)生，可以采用功率因數(shù)高的整流器。提高整流器功率因數(shù)的技術(shù)可概括為:一是多相整流技術(shù)。整流電路中整流相數(shù)越多，諧波分量越少。第二，多脈波換流技術(shù)[1]。

　　3.2 被動(dòng)抑制方法

　　3.2.1 無源濾波器

　　無源濾波器，又稱LC濾波器，可以補(bǔ)償諧波和無功功率。它具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、由電阻、電容器和電抗器組成的優(yōu)點(diǎn)。但濾波效果取決于系統(tǒng)的阻抗特性，對溫度、諧波污染、濾波電容和非線性負(fù)載都有較大的影響[2]。

　　3.2.2 有源電力濾波器

　　有源電力濾波器由各類開關(guān)器件組成，采取PWM控制方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，用以抵消電網(wǎng)電流中的諧波電流;其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，可實(shí)現(xiàn)諧波分量實(shí)現(xiàn)跟蹤補(bǔ)償。因其補(bǔ)償優(yōu)勢而廣泛運(yùn)用于在電力系統(tǒng)。

　　4 兩種濾波方案的對比

　　對加裝固定濾波器、有源濾波器和整流多重化三種諧波治理方案分別進(jìn)行仿真分析，對治理結(jié)果進(jìn)行分析比對。因?yàn)橛吞镏C波以5、7次為主，其他成分諧波隨著次數(shù)的增加而減少。因此，分別設(shè)計(jì)兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，對母線上的5、7次諧波進(jìn)行治理。

　　仿真結(jié)果表明單調(diào)諧濾波器其實(shí)就是為諧波電流提供了一個(gè)低阻通道，諧波電流直接經(jīng)濾波器旁路，不再進(jìn)入系統(tǒng);而且固定濾波器只能濾除特定次諧波，而對其他的諧波成分起的作用很小。有源濾波器則能夠?yàn)V除各次諧波，避免了諧波在線路中流通可能造成的諧波污染、諧振放大等現(xiàn)象。但是考慮到成本問題，不可能對所有的變頻器都并聯(lián)有源濾波器。而諧波源經(jīng)過多重化改造后，線路電流的5、7次諧波顯著降低，但是11、13次等高次諧波含量并未減少，因此單獨(dú)使用多重化方案并不能取得令人滿意的效果。

　　電力論文投稿刊物：《系統(tǒng)仿真技術(shù)》(季刊)創(chuàng)刊于2005年，由同濟(jì)大學(xué)主辦。本刊主要刊登通信工程、信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)電工程與自動(dòng)控制、微電子學(xué)、物理電子學(xué)、電磁場與微波技術(shù)、無線電物理、密碼學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)等方面的有創(chuàng)見有參考價(jià)值的學(xué)術(shù)論文。

　　5 結(jié)束語

　　通過分析得出，在油田配電網(wǎng)中，應(yīng)采用有源濾波器和固定濾波器相結(jié)合的方式。為了滿足生產(chǎn)需要，在鋼鐵冶金行業(yè)合理應(yīng)用PLC技術(shù)，可以提高生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和效率，有助于降低各個(gè)環(huán)節(jié)的成本，為行業(yè)的發(fā)展提供穩(wěn)定的動(dòng)力。隨著我國電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)PLC的軟硬件水平有了很大的提高。PLC技術(shù)將繼續(xù)在冶金工業(yè)的電氣自動(dòng)控制中發(fā)揮重要作用。

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　　作者：趙永華