（大庆油田第二采油厂电力维修大队黑龙江大庆163000）
摘要：油田开采中，为了节约能耗而引入变频器所带来的谐波污染问题十分严重，针对这一问题提出有源电力滤波器（APF）的方法，该方法是治理谐波，改善电能质量的有效措施。本文分析了有源电力滤波器的系统结构和基本原理，并对其中的重要部分做出简要分析，认为该方法可以在油田电力中广泛应用。
关键词：谐波污染；有源电力滤波器（APF）；方均根值法；无差拍控制法
一、引言
在油田的生产工作中，谐波的存在一直是一个很严重的问题，总的来说产生谐波有三个因素：一是油田中所用电网的电本身就因为质量问题存在谐波；二是变压器由于其结构原理在应用中产生谐波；三是由于要节能而引入变频设备产生谐波。其中油田抽油机变频设备的引入产生的谐波最为严重。本文针对变频器产生谐波的问题提出一种有源电力滤波器的方法，从电路结构，谐波检测方法，控制方法三个方面进行研究。该方法可以有效的解决在油田生产中由于变频器的使用而带来的谐波污染问题，可以在一定程度上节约能耗，为油田高效、低污染地利用电能开辟重要途径。
二、APF系统研究
2.1变频器谐波污染分析
目前油田的大区域原油基本被开采完毕，产量以及油层饱和度都在以平稳的速率保持下降，且油内结构空包、存水等异常状态明显的形式而言，此阶段中若抽油机仍旧维持平行动力作用状态，轻则加剧设备摩擦损耗，重则将造成空抽现象，在不必要情况下耗损大量电能资源。同时因抽油机的作用配比不均衡会间接引发电机持续发电，极易产生电能外放状况，造成外部电网的污染性反作用。变频器的使用提高抽油机系统的运行效率，降低抽油机系统的能耗，满足油田生产的节能要求。但变频器的使用所带来谐波污染也十分严重，变频器应用于游梁式抽油机中，可以提高生产效率、节约能源和减小环境污染，但它含有的输入电流波形呈尖峰状，其谐波成分复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频设备在油田中的广泛应用，对电网造成的谐波污染也越来越严重。同时还从现场实测的数据指出，变频器带载运行时，ABC三相电流上的高次谐波累积叠加后分别达到各相电流有效值的42.55%，45.14%和48.66%；三相电压上的高次谐波累积叠加后分别达到各相电压有效值的53.78%，58.90%和51.97%，充分说明在变频调速系统中，存在非常严重的谐波危害。
假设电网侧电压基本保持不变，输入电压为，其中为电压方均根值。
变频器输入电流则为：，式中为基波电流方均根值；为第次谐波方均根值；为基波相位角；为第次谐波相位角。
典型变频设备的谐波电流含量表示为：。
经计算分析油田谐波分量主要为5次谐波和7次谐波。对于这种情况采用有源电力滤波器（APF）来抑制谐波的效果最好，有源电力滤波器的分类有多种根据APF接入电网的方式，将其系统构成分为两大类：并联型和串联型。每种又可以分为单独使用和与滤波器混合使用的。经过比较与分析认为使用并联型APF更为有效。并联型结构会给实际设备运行带来很多的便利。例如APF的投切、故障后的退出以及各种保护都简单得多。由于APF通过PF与电网并联，即使APF出现故障也不会危及系统，况且并联型APF不通过基波负荷电流，因而其容量上可以进一步减小。
2.2三相四线制APF系统结构
APF主要由谐波指令电流运算模块、补偿电流控制模块、直流侧电压控制模块、主电路和必要的保护及辅助电路等部分构成，其结构图如图1所示。通过谐波电流检测电路，以检测到负载电流中的谐波分量作为输出补偿指令电流，并控制APF主电路中开关管的通断，在主电路产生与谐波电流大小相等、反向相反的补偿电流流入电网中，从而抵消负载电流中的谐波电流，达到抑制谐波分量流入到电网的目的。
其中主电路的变流器可以选择六桥臂三相结构也可以选择八桥臂四相的结构，尽管从理论上说，APF以四相变流器为主电路比以三相变流器为主电路对零线电流的控制效果要好一些，但从实际仿真效果来看差别并不太大[3]。采用三相变流器由于所用器件少，因而更经济一些。在三相的主电路结构中三相电源的零线与直流侧两个相同电容器中点相连，给零线电流提供通道。结构如下图2所示。
图1三相四线制APF系统结构图
图2六桥臂三相结构图
图3传统方均根值谐波检测原理图
2.3谐波检测方法
目前，常用的谐波检测方法主要有基于瞬时无功理论的法和法、快速傅里叶变换及离散傅里叶变换方法、小波变换及神经网络结合的方法，但它们都有一些缺点，法和法需要进行两次坐标变换，并且当电网电压不对称或发生畸变时，检测精度会降低；快速傅里叶变换及离散傅里叶变换方法对计算量和存储空间的要求较高，实时性得不到保障；小波变换及神经网络的检测方法在实际应用中存在一些问题导致很少应用于实际工程中。
相对于前面所叙述的检测方法，文献[4]提出的基于方均根值的谐波检测方法具有诸多优点，如计算时间短、节省数据存储空间和省去坐标变换等。传统的方均根值谐波检测法采用锁相环(PLL)来获取电压相位信息，原理图如下图3所示。在三相电压对称时能有效地提取谐波指令电流信号，然而在电网电压畸变或频率波动时，PLL无法得到准确的电压相位信息，导致谐波检测的精度降低。
3.结论
本文从变频器引入电网的谐波污染入手，从多方面考虑，运用有源电力滤波器（APF）进行谐波消除。其中从节省装置配置的经济角度考虑，主电路选择六桥臂三相电路；从高精度方面考虑，将方均根值谐波检测法进行改进作为指令电流运算电路；从减小误差的角度考虑，运用无差拍控制电路形成脉冲宽度调制信号（PWM）作为驱动。有源电力滤波器作为治理谐波和提高系统稳定性、可靠性的一种装置，可以在油田电力的生产领域中进行广泛应用。
参考文献
[1]向超，李蒙.变频器在抽油机上应用的探究[J].生产质量，2018，(2)：45-46.
[2]付光洁.油田电网谐波检测与APF控制技术的研究[D].大庆：大庆石油学院，2008：8-9.