电驱动修井机谐波抑制中的分析计算和选型

1、电驱动修井机谐波抑制中的分析计算和选型论文摘要：对修井机电力系统谐波分析进行研究，概述了电驱修井机谐波产生的原因和特点，通过两种谐波分析方法对LD32-2修井机系统进行谐波分析，根据结果提出合理的滤波方案，谐波分析的结果说明，变频器的广泛应用对系统电网产生了严重的谐波污染，应该采取措施进行抑制，减少谐波对配电系统和通讯系统的影响，提高电驱动修井机的可靠性。论文关键词：谐波分析,修井机电力系统,仿真计算,有源滤波一、引言现阶段，为了提高油田修井效率，电驱动修井机越来越多的采用非线性电力电子设备，如变频器、电机软起动器等。而当正弦交流电压施加于这些非线性负荷时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，

2、电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，这些畸变的谐波电流注入到电网中，形成了电力系统的谐波源，直接导致了设备过热、功率因数降低、设备性能破坏、保护设备不能正常操作、通讯设备被干扰等问题，这些情况下很可能导致电路共振，从而引发电力设备绝缘故障和其他设备的严重损坏。更严重的是一个区域的谐波电流会渗透到系统电网或其它领域，从而导致整个系统的电压和电流畸变。因此，在修井机的供电系统设计中要越来越多的考虑谐波对系统的影响。通过对修井机电力系统谐波的产生、现状及主要抑制手段进行概述，利用计算方法和仿真软件对LD32-2海洋修井机电力系统进行谐波计算，并根据计算结果提出合理的滤波方案。二、LD32-2海洋

3、修井机电力系统谐波问题分析2.1、谐波标准针对谐波造成的巨大危害，世界上各种国际学术组织如电气与电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议工程上常要求给出电压或电流畸变波形中的某次谐波的含有率，以便监测和采取抑制措施。电压畸变波形和电流畸变波形的第n次谐波含有率分别为HRU=x100HRI=x100式中U，I第n次谐波电压和电流有效值；U，I基波电压和电流有效值。实际工作中对谐波含有率常以频谱THD为各次谐波有效值平方和的方根值与其基波有效值的百分比，简称畸变率DFDistortionFactor。电压的总谐波畸变率为THD=x100电流的总谐波畸变率为THD=x10

4、0通常规定低压供电电压的畸变率不得超过5，这个标准符合工业供电的电压波形，近似为正弦波形。2.3、LD32-2修井机电力系统谐波分析LD32-2修井机主电源由平台6.3kV中压母排通过一台变压器6.3kV/0.6kV，4000kVA，50Hz连接到修井机的0.6kV母排上。修井机上的主要负载为绞车、高压泥浆泵、转盘和顶驱，其中绞车由两台600KW电机驱动，转盘由一台600KW电机驱动，高压泥浆泵由4台600KW电机驱动，这些电机的变频器整流单元均采用6脉波整流器。在工作中会产生很大的非正弦畸变电流，对修井机电力系统会产生很大的干扰。此外，修井机的变压器、不间断电源UPS、荧光灯以及电动机软启动

5、器均会带来一定的谐波干扰。这些谐波将直接对修井机平台600V母线上的设备产生影响，对于6.3KV/600V变压器将会引起变压器损耗增加，进而引起变压器铁心温度升高，使变压器的过载能力降低；由于畸变电压导致峰值电压升高，进而使电缆的绝缘应力增加，引起电缆的绝缘故障。由于修井机MCC系统马达控制中心的400V电源是通过一台1000KVA的600V/400V的变压器转换而来的，因此600V母线上的谐波也会影响400V母线上的设备，直接导致400V交流电动机的温升增加，由谐波产生的脉冲转矩会造成电动机运行时更大的噪声，脉冲转矩还可能造成电动机与所驱动机械的谐振，造成更大的危害。还会影响修井机仪表系统的

6、测量准确性；引起照明系统荧光灯故障。更严重的是修井机平台的谐波电流会渗透到给它供电的中心平台电网，从而导致整个供电系统的电压和电流畸变。三、LD32-2修井机谐波计算3.1、利用公式计算修井机谐波源主要产生在600V交流母线上，根据谐波标准IEEE519-1992，600V系统有源滤波器的谐波电流的计算如下所示：由于修井机电力系统属于微电网系统，滤波器接入点的最大的短路电流与最大负荷电流的关系为：最大的短路电流倍最大负荷电流，故谐波电流的有限值应为I的5%以内。故取在基波电流的5%以内的谐波电流值为符合要求的值。600V系统有源滤波器的谐波电流的计算如下：基波电流I=I/(1+THDI)谐波电

7、流I=THDIxITHDI总的谐波电流畸变率I负荷电流将谐波计算公式和计算条件做在EXCEL表格中，生成如下计算结果如下： 绞车 转盘/顶驱 泥浆泵 IEEE519允许畸变率 0.05 变频器谐波电流畸变率THDI 0.25 修井工况下的负荷率 0.2 0.6 0.65 功率因数 0.85 0.85 0.85 额定电压(V) 600 600 600 额定负荷(KW) 1200 600 2400 工况下负荷(KW) 240 360 1560 负荷电流A 271.70 407.55 1766.06 基波电流A 263.58 395.38 1713.33 谐波电流A 65.89 98.84 428.

8、33 谐波电流合计A 593.07 额定电流合计A 2445.31 总谐波畸变率 0.2425 允许谐波电流A 122.26 需补偿的谐波电流A 470.81 由上表可以看出总的谐波畸变率已到达24.25，超出了IEEE519中允许的5畸变率。需要采用谐波抑制措施，补偿谐波电流470A。3.2、利用仿真软件计算分析利用ETAP电力系统分析软件进行分析，ETAP是一个全界面的电力系统仿真分析、计算高级应用软件，拥有标准的离线仿真模块，具有高级、实时仿真、优化和高速智能甩负荷等功能。ETAP的谐波分析程序能精确模拟电力设备模型，该程序有两种谐波分析方法：谐波潮流分析和谐波频率扫描，都是电力系统谐波

9、分析中最流行并有效的分析方法。在电力系统谐波分析时通常将谐波源处理为谐波电流源，修井机电力系统的主要谐波源为变频器。ETAP能直接将变频器模块在单线图中反映出来，并能够选择变频器各厂家不同型号的谐波参数，或者典型的VFD变频器的谐波模型，通过图形观测谐波源的波形和频谱。ETAP建模单线图与工程单线图一致，设备参数根据实际选型输入，变频器选择库中的ABB公司的6脉波变频器。建立模型如下列图：运行ETAP谐波潮流分析程序，完成谐波潮流分析，得到BUS2600V母线上的谐波畸变率如下：600V母线上的谐波畸变率到达了22.84，超过了IEEE519中允许的5畸变率。需要采用谐波抑制措施。需要进行谐波

10、补偿电流为436A。以下为BUS2600V母线上的谐波电压仿真曲线：通过以上两种方法的分析，都可以得到修井机电力系统需要进行谐波抑制的结论，采用公式计算的方法得出的谐波畸变率偏大，但最终的谐波电流补偿值相差不大。我们采用软件分析的结果，谐波畸变率为22.84，需补偿电流436A。四、滤波方案选择谐波抑制方法有以下几种：1、选择12脉波变频器如果选用12脉波的变频器，并内置交流电抗器抑制谐波，使输入输出的电流都近似正弦波，保证变频器的绿色化，可以从根本上解决谐波问题。但是本钱会比拟高。2、有源滤波器和无源滤波器方案因为无源滤波器是根据功率因数的上下投切电容器以滤除谐波，因此在修井机电力系统功率因

11、数都大于90的系统中滤波效果差，而有源滤波器根据谐波电流大小控制滤波，采用闭环技术，精度佳，滤波效率高。无源滤波器只能滤除某次谐波。如需要同时滤除屡次谐波，那么体积庞大，价格昂贵，而有源滤波器可以同时滤除20种谐波即可同时滤除3、5、7、11、13、17、19等屡次谐波，可滤除最高达50次的谐波。无源滤波器容易过载，当因过载而旁路后，无任何滤波效果。有源滤波器在容量范围内不易发生过载，只根据电源大小和本身能力滤波。由此，在本次设计中考虑选用有源滤波器。有源滤波器连接方式选择有源滤波器有串联和并联两种连接方式。串联方式的特点是：A、缺少灵活性，有较大损耗。B、有源滤波器如有故障会影响整条线路的供电，降低供电的可靠性。并联方式的特点为：A、灵活性好，可容易的连接到配电系统的任意位置，实现局部补偿、局部补偿和全局补偿。B、扩容性能好，在非线性负载增大时，可直接并联扩容，简单方便。C、平安性好，可保证对负荷的连续平安供电。由此，选择并联连接的有源滤波器，根据有源滤