石油鉆機專用有源濾波器的研制

李劍波，杜 朋

（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710065）

石油鉆機專用有源濾波器的研制

李劍波，杜 朋

（西安寶美電氣工業(yè)有限公司，陜西西安710065）

目前，電動鉆機以SCR電驅(qū)動系統(tǒng)和VFD電驅(qū)動系統(tǒng)為主。SCR電驅(qū)動系統(tǒng)和VFD電驅(qū)動系統(tǒng)均存在把交流電整流成直流電的整流變換過程。此過程將產(chǎn)生大量的5、7、11、13等次諧波，其被傳輸?shù)讲裼桶l(fā)電機組的小電網(wǎng)系統(tǒng)中（600V電網(wǎng)），會引起600V母線電壓畸變。因此，有必要采取恰當(dāng)?shù)臒o功補償及諧波抑制措施，在提高功率因數(shù)的同時還能對諧波進行有效治理。

鉆機；有源濾波；諧波

1 引言

石油鉆機電驅(qū)動系統(tǒng)在工作時，其所產(chǎn)生的諧波會對600V電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備帶來以下不良影響：電網(wǎng)電壓波形會產(chǎn)生畸變，使供電質(zhì)量下降；諧波電流引起無功功率增加，會降低功率因數(shù)；接在同一電網(wǎng)中的變壓器、交流電機等損耗加大，會加速絕緣老化，還會使這些設(shè)備的振動和噪聲增加；接在同一電網(wǎng)中的電力電容器可能由于諧波電流的放大而過電流；諧波可能會在公共電網(wǎng)中產(chǎn)生并聯(lián)諧振，引起過電壓而損壞電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備。例如燒壞UPS電源等；諧波會影響儀表用互感器的檢測精度；諧波對鄰近的弱電系統(tǒng)（包括通信系統(tǒng)和電子設(shè)備）會產(chǎn)生干擾。

2 產(chǎn)品用途及說明

采用SCR變流技術(shù)的直流鉆機，其負載為感性負載，在鉆井過程中會產(chǎn)生較大的無功，可能會降低自備發(fā)電設(shè)備或電網(wǎng)供電設(shè)備的使用效率，并且可能會造成較大的電壓波動，并產(chǎn)生大量的諧波，從而可能會給其它的用電設(shè)備帶來危害。因此，有必要采取恰當(dāng)?shù)臒o功補償和諧波抑制措施，使其在提高功率因數(shù)的同時還能對諧波進行治理。

解決電力電子裝置產(chǎn)生諧波污染和解決低功率因數(shù)的問題，不外乎以下兩種途徑：一是對電力電子裝置本身進行改造，減少其所產(chǎn)生的諧波含量。這種方法需要對現(xiàn)有的電力電子裝置進行大規(guī)模更新，需要投入的成本較大，故有一定的局限性。二是向系統(tǒng)裝設(shè)補償裝置（如濾波器等），設(shè)法對諧波進行抑制，這種方法可適用于各種諧波源設(shè)備。

傳統(tǒng)的補償諧波的主要手段是裝設(shè)無源LC濾波器。這兩種方法結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法存在的缺點是其補償特性易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，且其只能補償固定頻率的諧波，難以對頻率變化的諧波進行有效的動態(tài)補償。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，對諧波進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱蟆?/p>

隨著以IGBT為代表的全控型器件向大容量、高頻化方向的不斷發(fā)展，采用電力電子技術(shù)的各種諧波有源補償裝置快速發(fā)展。以有源電力濾波器（APF）為代表的有源補償裝置補償諧波的基本原理如下：從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量。采用有源補償裝置補償諧波的方法安全可靠，其具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度和很高的補償精度。

3 主電路拓撲選擇

本項目設(shè)計的APF額定工作電壓為600V，額定電流為600A，要求裝置補償5、7、11、13次諧波，需要開關(guān)器件具有較高的開關(guān)頻率以滿足高次諧波的補償。一般的電力電子開關(guān)器件隨著容量的增大其所容許的開關(guān)頻率將越來越低，所以在將APF用于大容量的諧波補償時就面臨開關(guān)器件頻率與容量之間的矛盾。

解決上述矛盾有3種方案可供選擇：一是采用多臺獨立的小容量APF并聯(lián)使用；二是采用多重化的主電路實現(xiàn)大容量APF；三是采用小容量的開關(guān)器件并聯(lián)使用，以降低每支開關(guān)管的實際容量，從而提高整個開關(guān)管的開關(guān)速度。

第一種方案簡單易行，但成本較高，在經(jīng)濟上不合理，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

第二種方案在滿足容量要求的同時，還可以提高等效開關(guān)的頻率，但其所需要的器件較多，其穩(wěn)定性、可靠性難以保證，在油田配電系統(tǒng)等較惡劣的用電環(huán)境中并不適用。

圖1 多機并聯(lián)方案

圖2 多重化主電路方案

第三種方案的主電路拓撲如圖3所示，可以看出，這種方案的電路結(jié)構(gòu)與小容量APF相同，其結(jié)構(gòu)比較簡單。其中的每個開關(guān)管均由多個小容量的開關(guān)管并聯(lián)構(gòu)成，以增大整體的容量。

圖3 開關(guān)管并聯(lián)方案

開關(guān)管并聯(lián)方案的技術(shù)關(guān)鍵在于多管并聯(lián)時管內(nèi)、管外參數(shù)的對稱性以及管間瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)的一致性，這對器件的工藝及驅(qū)動設(shè)計提出了很高的要求。本文選用SKiiP2403GB172－4智能功率模塊。該功率模塊內(nèi)部集成了多支IGBT以供并聯(lián)，并集成了驅(qū)動電路、過流過溫保護電路及故障信號輸出接口等，并配備了光纖接口，具有較高的可靠性和實用性。

SKiiP功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個模塊由4個半橋模塊在內(nèi)部并聯(lián)封裝構(gòu)成，以保證開關(guān)管可以驅(qū)動較大的等級電流。各半橋輸出電流通過母線銅排從模塊外部進行并接。所有IGBT由內(nèi)部驅(qū)動電路統(tǒng)一驅(qū)動，控制模塊具有較高的參數(shù)對稱性和可靠性。

圖4 SKiiP功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 主電路參數(shù)設(shè)計

4.1 開關(guān)管IGBT選取

本項目設(shè)計的APF交流輸出電流為600A，線電壓為600V，故輸出功率為：

因此，可將APF額定功率取為625kVA。

為了保證有源電力濾波器的補償性能，滿足輸出電流對指令電流的跟蹤效果，直流側(cè)的電壓應(yīng)盡可能地取高，但考慮到功率器件的電壓等級和直流側(cè)電壓會有波動，故本文選擇直流母線電壓為：

由于要求補償諧波達到13次，為滿足其補償特性要求開關(guān)管具有相應(yīng)的開關(guān)頻率以滿足快速跟蹤性，選擇開關(guān)頻率為：

選用的開關(guān)管型號為SEMIKRON，智能功率模塊為SKiiP2403GB172－4。在25℃環(huán)境溫度下，標稱值VCE＝1700V，IC＝2400A。在75℃環(huán)境溫度下，IC＝1800A。

用該開關(guān)模塊搭建如圖5所示的三相逆變橋主電路結(jié)構(gòu)，并用仿真軟件SEMISEL對運行環(huán)境進行估算，仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如表2所示。

表1 仿真參數(shù)

圖5 主電路結(jié)構(gòu)

表2 仿真結(jié)果

如上述圖表可知，單個模塊總損耗為Ptot＝1676W，三相逆變電路額定工作狀態(tài)下的總損耗為5028W。

SEMISEL同時給出了模塊熱特性的仿真結(jié)果。在使用PX16＿360系列散熱片和280m3／h強制風(fēng)冷條件下，額定工作的模塊殼溫TC＝82℃，IGBT結(jié)溫Tj＝99℃，符合設(shè)計要求。 模塊最高工作結(jié)溫150℃，殼溫過溫保護閾值為110℃。

4.2 直流側(cè)電容Cdc參數(shù)設(shè)計

負序電流和高次諧波電流在直流側(cè)電容上造成的能量脈動以及因開關(guān)作用和有源電力濾波器交流電感儲能而造成的能量脈動，都需要直流電容來緩沖。補償負序電流時，直流側(cè)電容的儲存電能波動最為明顯，因此可主要解決因負序電流而造成的能量脈動。

當(dāng)三相電壓不平衡時，由于負序分量的作用，并網(wǎng)逆變器直流母線側(cè)電容上的能量將以2ω波動，則：

式中，Pn為負序分量對應(yīng)功率，Vm為電網(wǎng)電壓峰值，In為電網(wǎng)電流峰值，ω為電網(wǎng)角頻率，φpn為初始相角，其對應(yīng)的峰值能量波動為：

反映到直流母線側(cè)電容上，則有：

式中，△Epp為直流母線電容上的能量波動，Cdc為直流母線電容，Vdc為直流母線電壓，△Vdc為直流母線電壓的波動值。

由上式可得直流母線電容值為：

在100%不平衡負載條件下，考慮50V的直流母線電壓紋波，則電容值為：

用450V／15000μF的電解電容經(jīng)4串5并后，便構(gòu)成1800V／18750 μF的逆變器直流側(cè)電容電路。

4.3 進線電感Lf、濾波電感Lg及濾波電容Cf參數(shù)設(shè)計

需從瞬態(tài)電流跟蹤指標和抑制開關(guān)次諧波電流指標兩個方面來考慮設(shè)計進線電感。從瞬態(tài)電流跟蹤指標來看，在輸出電流過零時，電流變化率最大，此時進線電感應(yīng)該足夠小，以滿足快速跟蹤電流的要求；另一方面，為抑制開關(guān)次諧波，所設(shè)計的進線電感應(yīng)該足夠大。

（1）為了滿足快速電流跟蹤，則應(yīng)有：

式中：Vdc為直流側(cè)電壓，取值為1100V；Im為最大電流輸出有效值，取值為600×125%＝750A；ω為諧波角頻率，當(dāng)補償13次及以內(nèi)的諧波時，取值為ω＝2π×650＝4084rad／s。經(jīng)計算可得 L≤0.2394mH。

（2）LCL濾波器

與傳統(tǒng)的L型和LC型濾波器相比，LCL型濾波器不僅可以減小濾波器的體積，還可降低成本，且其濾除高頻噪聲的能力更強，因此本文采用LCL濾波器。

忽略電感和電容的ESR及電容上串聯(lián)的阻尼電阻Rf，則LCL濾波器的單相等效電路如圖6所示。

圖6 LCL濾波器單相等效電路

由磁性元件的伏秒平衡原理可得流過逆變器側(cè)電感的紋波電流峰值為：

式中，△Ipp為APF側(cè)電感紋波電流峰值，Lf為APF濾波電感，fs為APF開關(guān)頻率，D為APF每一相對直流側(cè)電容中點的占空比，則：

取電感紋波電流峰值為輸出諧波電流的50%，則：

取Lf為0.2mH，由圖6可知，LCL濾波器的傳遞函數(shù)為：

故：

電容上串入阻尼電阻Rd后，傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>

LCL諧振頻率為：

阻尼系數(shù)為：

將諧振頻率取為800Hz（補償13次及以內(nèi)諧波），取Lf為0.2mH，并經(jīng)綜合考慮，取 Lf＝0.2mH，取 Lg＝0.08mH，取 Cf＝1187μF，取 Rf＝5Ω。

5 可行性仿真驗證

本文采用基于瞬時無功功率理論的ip、iq檢測算法得到負載電流中的基波成分，從負載電流中減除這個基波成分即得到了其中的諧波成分，將其作為電流跟蹤的指令，進而得到了逆變器的控制信號。其結(jié)構(gòu)如圖7所示

圖7 檢測算法框圖

將計算多的數(shù)據(jù)帶入，用圖7所示算法在Matlab下進行可行性仿真，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真波形圖

由圖8可以看出，補償系統(tǒng)達到了預(yù)期的補償目的。對補償前后電網(wǎng)電流波形進行FFT分析，其數(shù)據(jù)分析表如表3所示。由表3可以看出，項目要求的 5、7、11、13次諧波含量被明顯補償，THD 含量從26.28%降到了2.13%。

表3 補償前后電網(wǎng)電流FFT分析

6 基本功能及性能指標

（1）功能

對于有較大波動性和沖擊性的負荷，可減少其電壓波動，抑制電壓閃變，提高電壓穩(wěn)定性，并改善電壓質(zhì)量。能夠充分發(fā)揮發(fā)電或供電設(shè)備的容量，降低配電網(wǎng)的線損，并有效消除電網(wǎng)的諧波。

（2）性能指標及可靠性

電網(wǎng)電壓為600V，頻率為50Hz，裝機容量為2400kVar，可控補償容量不小于1600kVar。具有動態(tài)補償、過零投切、投切無沖擊、無震蕩、響應(yīng)速度快（在10ms以內(nèi)）等特點，能夠滿足功率變化快的要求。

7 創(chuàng)新性

（1）能夠快速跟蹤無功變化；

（2）能夠自動調(diào)節(jié)并實現(xiàn)無人職守；

（3）具有故障自診斷功能，并能夠?qū)⒔Y(jié)果顯示在屏幕上或通過串行口輸出；

（4）具有遠程監(jiān)控功能。

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Research on special active filter for oil drilling rigs

LI Jian－bo，DU Peng
（Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

At present，the drive systems for the electric drilling rigs are mainly based on the SCR electric drive systems and the VFD electric drive systems.Both of the SCR electric drive system and the VFD electric drive system have the electricity－rectifying process from AC to DC transformation，which will produce a large number of 5，7，11 and 13 sub－h(huán)armonics.The sub－h(huán)armonics will be conveyed to the small power system （600V grid）of the diesel generator and cause the voltage distortion of the 600V bus.Therefore，the appropriate reactive power compensation and the harmonic suppression measures are taken to manage the harmonics and improve the power factor of the system.

drilling rig；active filter；harmonic

TP273；TM712

A

李劍波（1973－），男，工程師，主要從事電動鉆機的電控設(shè)計工作。

2016－11－21

1005—7277（2017）02—0026—05