周超

摘 要：海洋平臺作為一個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)，較陸上鉆機(jī)受諧波的影響更為明顯。同時(shí)，目前海上鉆機(jī)大量使用變頻器，也帶來了嚴(yán)重的諧波污染，該文以海上某平臺鉆機(jī)電氣系統(tǒng)為例，對比了諧波治理措施的作用機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)，從尺寸、占地面積、重量等方面對鉆機(jī)諧波治理的3個(gè)方案進(jìn)行了對比分析，最后對適用于海上平臺鉆機(jī)的諧波處理措施進(jìn)行了推薦。

關(guān)鍵詞：諧波 有源濾波 多脈動(dòng)濾波

中圖分類號：TM71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0052-06

近幾年，由于諧波引起電容器過載損壞和變壓器過熱噪音等事故的發(fā)生，使得諧波治理成為鉆井設(shè)施電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)工作者所必須考慮的一個(gè)新課題。目前對電力系統(tǒng)的研究集中在大的陸地電力系統(tǒng)上，通常是陸地上的技術(shù)成熟后才用在海洋平臺上，以保證高的可靠性。但海上平臺由于空間有限，而且平臺造價(jià)十分昂貴，陸地上的一些技術(shù)并不能直接用在海洋平臺上。同時(shí)，在陸地電力系統(tǒng)，諧波治理的研究通常是把電源看成無窮大電源，而在作為區(qū)域電力系統(tǒng)的海洋平臺上，發(fā)電機(jī)不能看成無窮大電源，諧波對電站的穩(wěn)定性運(yùn)行有很大的影響[1]。

目前海上平臺鉆機(jī)普遍采用交流變頻驅(qū)動(dòng)的模式，這種模式在經(jīng)濟(jì)性和電功率容量等方面體現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)越性[2]，變頻器在大型鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)中的大量應(yīng)用，對提高產(chǎn)量、節(jié)約能源和提高自動(dòng)化作業(yè)方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的諧波污染，電子器件極易損壞[3]，成為了海上鉆井設(shè)施電力系統(tǒng)中最主要的諧波電流源。

變頻器輸出側(cè)PWM控制產(chǎn)生的輸出電壓和輸出電流均有諧波，這是由于變頻器中的逆變部分是通過高速半導(dǎo)體開關(guān)來產(chǎn)生一定寬度和極性的PWM控制信號，這種具有陡變沿的脈沖信號會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，尤其是輸出電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設(shè)備的干擾，嚴(yán)重地超出了電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的極限值要求[4]。因此，海上鉆井設(shè)施電力系統(tǒng)的諧波分析，以變頻器作為系統(tǒng)的主要諧波電流源來進(jìn)行分析研究。此外，變壓器、不間斷電源UPS、熒光燈以及電機(jī)軟啟動(dòng)器均會(huì)帶來一定的諧波干擾。

1 諧波分析基礎(chǔ)

接下來以某海上鉆機(jī)的電氣系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，該電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成。

A段：

電源輸入1臺4 000 kVA，35 kV/600 V變壓器；

2臺800 kW絞車交流變頻電動(dòng)機(jī)；

1臺800 kW轉(zhuǎn)盤交流變頻電動(dòng)機(jī)；

1臺800 kW頂驅(qū)交流變頻電動(dòng)機(jī)；

1臺1 000 kVA MCC配電變壓器。

B段：

電源輸入1臺4 000 kVA，35 kV/600 V變壓器；

4臺600 kW泥漿泵交流變頻電動(dòng)機(jī)；

1臺1 000 kVA MCC配電變壓器。

2 諧波治理方案

2.1 多脈動(dòng)濾波方案

系統(tǒng)采用4組12脈波變壓器對整流進(jìn)行濾波，此時(shí)能夠滿足濾波的要求；兩段分別選擇兩組12脈波變壓器互差15°以組成24脈波整流；整個(gè)系統(tǒng)與直流交流母排連通與否無關(guān)。采用24脈波整流，電壓和電流諧波都能控制在5%以下（如圖1，表1，表2所示）。

2.2 IGBT整流濾波方案

系統(tǒng)采用ISU（IGBT）整流單元以替代DSU（二極管）整流，THDi、THDu都能控制在2%～3%左右，滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)（見圖2，表3，表4所示）。

2.3 有源濾波器方案

有源濾波器安裝位置在諧波源附近，這樣能夠就近治理，因此，其接入點(diǎn)通常在整流柜旁（如圖3所示）。

測量點(diǎn)應(yīng)包括整個(gè)諧波源，比如：單線圖中A段應(yīng)將頂驅(qū)也包含在測量點(diǎn)內(nèi)。由于有兩路輸入變壓器，因此，將互感器安裝在變壓器出線端并不是最好選擇，因?yàn)闊o法確定兩組變壓器的工作狀態(tài)。如果同時(shí)檢測兩路變壓器的電流參數(shù)，存在控制系統(tǒng)復(fù)雜的問題，而且MCC部分的諧波值很小，因此，將測量位置放置于整流側(cè)同樣是可以接受的方案（如圖4，表5所示）。

有源濾波器濾波效率通常在97%，考慮在A段598A，B段520A以上的有源濾波器。

按每波次剩余10%諧波電流考慮，則濾波效果如表6所示。

有源濾波器安裝使用靈活，能夠根據(jù)實(shí)際使用情況增加容量而不影響到其他。如上面所進(jìn)行分析，鉆井實(shí)際工況中泥漿泵、絞車超過50%負(fù)荷的情況其實(shí)很少，即使單邊只配置一半容量300 A有源濾波器，也能滿足大部分情況下的諧波需求，如果以后需要加大容量也能夠很簡單的增加，而不影響到其他電氣參數(shù)。

根據(jù)鉆井工藝的固有特點(diǎn)，絞車負(fù)載電流變化大，如瞬間上提一下鉆具，其負(fù)載電流從很低變到很高。而有源濾波器工作原理為檢測測量點(diǎn)的諧波電流，然后輸出一個(gè)反向諧波電流，因此，在沖擊性負(fù)載時(shí)其效果并不是很理想，提高測量互感器的精度可以在一定程度上改善效果。

2.4 方案比較

通過前段的分析，3種濾波方案：有源濾波、24脈整流、IGBT整流都能夠較好地滿足諧波濾除的需要。

下面對幾種方案進(jìn)行各方面的對比，對于所有解決方案相同的部分如逆變器等，不列入對比表。

（1）配置如表7所示。

（2）尺寸如表8所示。

（3）重量如表9所示。

（4）對比如表10所示。

3 結(jié)論及建議

按照濾波效果，IGBT整流、24脈波整流、有源濾波幾種方案都能較好地解決鉆井過程中產(chǎn)生的諧波。

3.1 IGBT整流

按照效果來說，IGBT整流方案是最好的，同時(shí)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如不受前端電網(wǎng)參數(shù)影響，對變化的負(fù)載能快速響應(yīng)，占地面積小等。即使其頂驅(qū)濾波問題也較好解決，要么頂驅(qū)逆變直接由主IGBT整流單元供電，要么頂驅(qū)變頻器也配置成IGBT整流或其他濾波方案。不過此方案成本最高。

3.2 多脈整流

24脈波整流同樣能夠很好的濾除諧波。雖然受到電網(wǎng)不平衡度及諧波制約，但是通常平臺電網(wǎng)質(zhì)量都較好，能夠滿足使用需要。

多脈整流一大缺點(diǎn)就是占地面積大、重量大，多臺變壓器需要在平臺設(shè)計(jì)時(shí)考慮放置空間，此種方案成本超過有源濾波器方案。

3.3 有源濾波器

有源濾波器不受電網(wǎng)諧波影響，能夠同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功等，其最大的優(yōu)點(diǎn)是容量配置靈活，可根據(jù)實(shí)際情況配置容量以節(jié)省成本。比如：按照上述諧波數(shù)據(jù)分析，有源濾波器容量是按照最大諧波工況進(jìn)行計(jì)算。實(shí)際上這些工況在多數(shù)時(shí)候是達(dá)不到的，即使一半容量的有源濾波器也能夠滿足大多數(shù)工況下的濾波需求。而其他幾種方案在設(shè)計(jì)初期就必須配置足額的容量。

綜上所述，推薦海上平臺鉆機(jī)在解決諧波問題時(shí)，主要考慮采用有源濾波器的方案，在平臺空間和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性允許的前提下，可考慮采用多脈波整流的方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 張奇志，李琳.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[2] 劉愛明.直流電動(dòng)鉆機(jī)諧波治理與無功補(bǔ)償[J].科技資訊，2011（34）：119-120.

[3] 張建，冉鵬，譚剛強(qiáng)，等.電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)控制系統(tǒng)的抗諧波干擾裝置[J].石油機(jī)械，2002，30（1）：30-31.

[4] 林海雪，孫樹勤.電力網(wǎng)中的諧波[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.