黨存祿，張磊，鄢家財(cái)，尹曉霈

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

目前，我國(guó)在石油鉆采工程上大量使用電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)，替代效率低下的機(jī)械鉆機(jī)，而石油鉆機(jī)系統(tǒng)一般都是應(yīng)用于公共電網(wǎng)所不及的沙漠、海洋和陸地，其動(dòng)力配備主要由柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)提供［1］。晶閘管裝置和變頻器的存在使得石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)含有大量的諧波，而工業(yè)區(qū)、輔助設(shè)備和生活樓照明需要良好的正弦波，所以對(duì)石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（小電網(wǎng)）的諧波進(jìn)行分析和抑制顯得尤為重要，以便于提高小電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為SCR（直流）傳動(dòng)系統(tǒng)和VFD（交流）傳動(dòng)系統(tǒng)［2］，本文主要是針對(duì)VFD（交流）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析。

1 VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成及工作原理

ZJ50DB石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，三相600V交流母線左側(cè)為系統(tǒng)的動(dòng)力源，由4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)組成，600V交流母線右側(cè)為負(fù)載側(cè)，分別連接著7臺(tái)VFD變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)鉆井設(shè)備（1＃泥漿泵、2＃泥漿泵、絞車和轉(zhuǎn)盤），還連接著1臺(tái)動(dòng)力變壓器（600V／400V）為井場(chǎng)設(shè)備和照明設(shè)備供電。從圖1可以看出，由2臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)（同軸連接）驅(qū)動(dòng)的1＃泥漿泵、2＃泥漿泵和絞車，分別對(duì)應(yīng)2臺(tái)VFD變頻傳動(dòng)系統(tǒng)控制，2套變頻傳動(dòng)系統(tǒng)采用主從控制方式，轉(zhuǎn)盤電動(dòng)機(jī)由1臺(tái)VFD變頻傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

VFD變頻控制系統(tǒng)是將小電網(wǎng)AC 600V交流電（正弦波）先用晶閘管或二極管整流成直流電，經(jīng)大容量電容器濾波，再用電力電子器件IGBT完成逆變過(guò)程，得到AC 600V、頻率5～60Hz可調(diào)的交流電，驅(qū)動(dòng)泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)的交流變頻電機(jī)，滿足鉆井工藝要求的調(diào)速控制。

圖1 VFD電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of VFD electric drive system

2 VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諧波分析

2.1 VFD系統(tǒng)諧波分析

在石油鉆機(jī)VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，大部分采用變頻器直接驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)，也有采用公共直流母線結(jié)構(gòu)的，即通過(guò)多臺(tái)并聯(lián)的整流柜，產(chǎn)生直流電壓，再通過(guò)多臺(tái)逆變器分別驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)。無(wú)論哪種驅(qū)動(dòng)方式，都有整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)，也都將產(chǎn)生諧波，影響到600V電網(wǎng)的電源品質(zhì)。

變頻器的主電路一般為交－直－交組成，通常三相工頻電源經(jīng)三相橋式整流電路（不可控或可控）整流成直流電壓，經(jīng)直流側(cè)大容量濾波電容器濾波及大功率開(kāi)關(guān)元件IGBT逆變?yōu)轭l率和電壓均可變的交流電源。

變頻器的輸入電路由二極管或晶閘管組成的全橋整流電路和濾波電容所組成，變頻器的網(wǎng)側(cè)輸入電壓波形基本上是正弦波，但輸入電流是脈沖式的充電電流，其波形如圖2所示。脈沖式電流波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有6n＋1（n＝l，2，3，…）次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。

變頻器輸入電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長(zhǎng)型波形，如圖3實(shí)線所示；反之，當(dāng)電源阻抗比較大時(shí)，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖3虛線所示。

圖2 變頻器的輸入電壓和電流波形Fig.2 The input voltage and current waveforms of converter

圖3 變頻器輸入電流波形Fig.3 The input current waveforms of converter

變頻器的逆變輸出電路中，輸出電壓和電流均有諧波。對(duì)于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調(diào)制頻率有關(guān)，低調(diào)制頻率為1～2kHz，高調(diào)制頻率可達(dá)20kHz（如IGBT變頻器）。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級(jí)數(shù)不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾。另外高次諧波電流還通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。

無(wú)論是晶閘管整流器，還是變頻器，在實(shí)際運(yùn)行中情況并不理想，換流電抗不等于零，換相角不等于零，輸出直流必然會(huì)有脈動(dòng)，三相交流系統(tǒng)也很難完全對(duì)稱。因而諧波成分會(huì)更加復(fù)雜，電壓與電流波形發(fā)生畸變會(huì)更嚴(yán)重，此諧波注入電網(wǎng)必將對(duì)電氣設(shè)備造成危害。

石油鉆機(jī)有以下鉆井工況：正常鉆井、高壓大排量鉆井、起下管柱和倒滑眼。在這幾種工況下，多種鉆井設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，如高壓大排量鉆井工況下，需要至少2臺(tái)泥漿泵高壓工作，轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)工作，絞車間斷工作，對(duì)應(yīng)的多臺(tái)VFD變頻柜同時(shí)投入工作。對(duì)600V電源母排來(lái)說(shuō)，同時(shí)存在多個(gè)諧波源，諧波污染的影響將更加嚴(yán)重。

2.2 實(shí)測(cè)諧波

石油鉆機(jī)VFD系統(tǒng)，在重載工況下，用示波器實(shí)測(cè)得到的600V母線電壓波形（受諧波污染）示于圖4。

圖4 VFD系統(tǒng)600V母線電壓波形Fig.4 The waveform of VFD system 600Vbus voltage

3 VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諧波計(jì)算

3.1 多諧波源疊加問(wèn)題

由圖1可知，石油鉆機(jī)VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，含有多個(gè)諧波源。這里就涉及到多個(gè)諧波源疊加的問(wèn)題。

2個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí)，首先將2個(gè)諧波電流疊加，然后再與第3個(gè)電流疊加，以此類推。2個(gè)諧波源的同次諧波電流在一條線路上的同一相上疊加，當(dāng)相位角已知時(shí)，總諧波電流（A）可按下式計(jì)算：

當(dāng)2個(gè)諧波源的諧波電流間的相位角不確定時(shí)，總諧波電流可按下式計(jì)算：

其中，系數(shù)Kh的取值按表1選取。

表1 式（2）中系數(shù)Kh的選取Tab.1 The extract of the Khcoefficientin expression（2）

2個(gè)及2個(gè)以上諧波源在同一節(jié)點(diǎn)同一相上引起的同次諧波電壓疊加的公式和式（1）或式（2）類似。

3.2 倒滑眼鉆井工況諧波計(jì)算

下面以7000m鉆機(jī)為例，在倒滑眼鉆井工況下，計(jì)算諧波污染引起的600V母線上電壓畸變率的大小。

假定條件為：4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，并且負(fù)荷均衡分配；4臺(tái)CAT3512B機(jī)組構(gòu)成的電站短路容量為11MV·A（根據(jù)短路電流計(jì)算求得）。

在倒滑眼鉆井工況下，2臺(tái)泥漿泵滿負(fù)荷運(yùn)行，絞車（雙機(jī)）滿負(fù)荷運(yùn)行，轉(zhuǎn)盤半負(fù)荷運(yùn)行。絞車的電動(dòng)機(jī)容量均為800kW／600V，額定電流為895A。泥漿泵、轉(zhuǎn)盤的電動(dòng)機(jī)容量均為600kW／600V，額定電流為671A。

單臺(tái)泥漿泵由雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷電流為2×671 A。每臺(tái)VFD變頻柜（800kW／690V）額定輸入電流為946A，額定輸出電流為860A。

絞車由雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷電流為2×895A。每臺(tái)VFD變頻柜（1000kW／690V）額定輸入電流為1188A，額定輸出電流為1080A。

轉(zhuǎn)盤由單機(jī)驅(qū)動(dòng)，半負(fù)荷運(yùn)行電流為336A。VFD變頻柜（800kW／690V）額定輸入電流為946A，額定輸出電流為860A。

1）單臺(tái)泥漿泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流為

2）絞車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流為

3）轉(zhuǎn)盤運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波電流為

4）多個(gè)諧波源合成的諧波電流為

先將2臺(tái)泥漿泵合成計(jì)算：

再將泥漿泵、絞車合成計(jì)算：

最后，將泥漿泵、絞車、轉(zhuǎn)盤合成計(jì)算：

5）計(jì)算各次諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓為

6）總諧波電壓有效值為

7）總電壓畸變率為

3.3 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算可知，石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行鉆井作業(yè)時(shí)，對(duì)600V電網(wǎng)（發(fā)電機(jī)組電站電網(wǎng)）帶來(lái)了較大的諧波污染，致使電網(wǎng)的電壓畸變率高達(dá)20%左右，嚴(yán)重地影響到電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備。因此，必須進(jìn)行諧波治理。

4 VFD系統(tǒng)的諧波治理

4.1 進(jìn)線電抗器方案

晶閘管整流裝置為移相控制，運(yùn)行時(shí)流過(guò)電網(wǎng)的電流為三角波（不連續(xù)）或饅頭波（連續(xù)），因此，在晶閘管系統(tǒng)增加輸入電抗器，以此來(lái)抑制晶閘管產(chǎn)生高次諧波對(duì)電源的污染，進(jìn)而達(dá)到有效地改善電流波形，降低諧波電流的目的。本文VFD系統(tǒng)中，考慮到進(jìn)線電抗器的體積，其短路阻抗按2%選取。圖5給出了加裝進(jìn)線電抗器與否的600V電網(wǎng)電壓波形比較。

圖5 VFD系統(tǒng)電壓波形（電壓等級(jí)為600V）Fig.5 The waveforms of VFD system voltage

圖5a為帶進(jìn)線電抗器、輸出電流為1080A時(shí)的系統(tǒng)電壓波形；圖5b為不帶進(jìn)線電抗器、輸出電流為1450A時(shí)的電壓波形。由圖5可以看出，VFD系統(tǒng)由于整流裝置的存在其電壓波形發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，但接入進(jìn)線電抗器以后電壓波形變好。

4.2 有源濾波器諧波抑制方案

交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)選用西門子全數(shù)字6SE71系列變頻柜。變頻系統(tǒng)共設(shè)7套變頻柜，分別驅(qū)動(dòng)1＃和2＃泥漿泵、絞車和轉(zhuǎn)盤電動(dòng)機(jī)，每套變頻柜包含進(jìn)線、整流、逆變3大部分組成。VFD變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的諧波有整流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的，也有逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。整流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波主要是5次、7次、11次、13次等高次諧波；而通過(guò)PWM或SPWM調(diào)制的逆變環(huán)節(jié)，輸出的線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其等效后是連續(xù)的矩形波，三相的相電壓是階梯波，是非線性的，輸出的電流是近正弦波也含有豐富的諧波。針對(duì)VFD系統(tǒng)諧波復(fù)雜、功率因數(shù)高的特點(diǎn)，擬選用有源濾波器來(lái)抑制諧波，而無(wú)需設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。

有源濾波器（APF）是電力電子器件（IGBT）、新型諧波檢測(cè)方法（瞬時(shí)無(wú)功功率法）和數(shù)據(jù)處理器（DSP）相結(jié)合的電力電子裝置，能夠高效地濾除諧波。目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的產(chǎn)品有輸出電流為100A和300A2種，根據(jù)濾除諧波電流的大小，可以選多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行。本次選擇了型號(hào)為PQFM，電流等級(jí)為300A的APF。APF系統(tǒng)與VFD系統(tǒng)連接示意圖如圖6所示。

圖6 APF系統(tǒng)與VFD系統(tǒng)連接的示意圖Fig.6 The connection schematic of APF and VFD

在VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，每一套交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)諧波源，電力變壓器和軟啟動(dòng)器等也是諧波源，但相比較所產(chǎn)生的諧波量要比VFD諧波源產(chǎn)生的諧波量小得多，因此，在制定VFD系統(tǒng)諧波治理方案時(shí)，將變壓器和軟啟動(dòng)器等產(chǎn)生的諧波予以忽略，只考慮VFD諧波源。

PQFM有源濾波器與VFD傳動(dòng)系統(tǒng)的接線圖如圖7所示。

圖7 PQFM有源濾波器與VFD系統(tǒng)的接線圖Fig.7 The wiring diagram of PQFM APF and VFD

5 諧波抑制效果分析及結(jié)論

某工況下石油鉆機(jī)VFD變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配備諧波抑制環(huán)節(jié)后，對(duì)600V電網(wǎng)質(zhì)量有較大的改善，通過(guò)濾波器投入前后的比較，說(shuō)明電能質(zhì)量得到明顯的改善，如圖8所示。

圖8 VFD系統(tǒng)采用APF濾波器前后的效果比較圖Fig.8 The effect share when APF is adopted in the VFD system

表2給出了濾波前后諧波和畸變的數(shù)據(jù)對(duì)比，說(shuō)明本文所采用的方案諧波抑制效果良好。

表2 APF濾波器投運(yùn)前后實(shí)錄數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.2 The share of measured dates when APF is adopted in the VFD system

本文詳細(xì)分析了石油鉆機(jī)VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，給出了諧波計(jì)算的具體方法，并針對(duì)倒滑眼鉆井工況下的諧波進(jìn)行了計(jì)算，最后給出了諧波治理方案。即采用APF抑制系統(tǒng)的諧波抑制方案和增加輸入電抗器的方案。

將兩者結(jié)合在一起達(dá)到了更好抑制諧波的目的。實(shí)際設(shè)計(jì)了這種裝置，實(shí)測(cè)波形顯示達(dá)到了提高石油鉆機(jī)VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（小電網(wǎng)）電能質(zhì)量的目的。通過(guò)使用前后的波形對(duì)比顯示了這種方法的優(yōu)越性，具有十分重要的工程前景。

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