有源濾波器在HXJ135電控鉆修機上的設(shè)計應(yīng)用

丁輝 張超 （中國海洋石油天津分公司生產(chǎn)部 天津 300456)

張顓利 （中國海洋石油能源發(fā)展油田建設(shè)工程公司 天津 300456）)

隨著中海油渤海油田海上電網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)的成功應(yīng)用和電控變頻技術(shù)在海洋鉆修機上的應(yīng)用，渤海油田新建造的海洋鉆修機進入了從柴油機動力驅(qū)動向電控變頻電機驅(qū)動發(fā)展的新階段。

目前，海洋電控鉆修機絞車電機、高壓泥漿泵電機的電力供應(yīng)來自于平臺35kV電力主網(wǎng)經(jīng)過變壓器降壓后的690V配電盤，并采用6脈沖交流變頻系統(tǒng)（VFD）進行控制，電控鉆修機的交流變頻系統(tǒng)主要由逆變單元、整流單元等大功率電子器件組成，導(dǎo)致產(chǎn)生了6n±1次（n為自然數(shù)）諧波，該諧波的產(chǎn)生不但會影響整個油田電力主網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，而且也會引起其他設(shè)備的誤動作或性能的降低。因此，中海石油天津分公司提出了對秦皇島32-6作業(yè)油田HXJ135電控鉆修機電傳系統(tǒng)增加有源濾波器的設(shè)計思路，以保證整個油田電力主網(wǎng)和電控鉆修機電傳系統(tǒng)的使用安全。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

HXJ135電控鉆修機主要由變壓器房、MCC房、VFD房、應(yīng)急間、制動電阻間、PLC控制系統(tǒng)、防爆正壓系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。HXJ135電控鉆修機的變壓器房內(nèi)設(shè)有1臺35kV/0.69kV變壓器和1臺0.69kV/0.4kV變壓器；MCC房主要設(shè)有各種配電盤和各種馬達控制開關(guān)；VFD房主要設(shè)有整流單元、逆變單元、制動電阻、冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；應(yīng)急間主要是各種應(yīng)急配電盤和馬達控制開關(guān)等。[1]

1.2 工作原理

HXJ135電控鉆修機主絞車和F-800泥漿泵的動力驅(qū)動機組均采用600kW的交流變頻電機（防爆），其主電力供應(yīng)來自平臺配電間的35kV中壓母線，通過一臺35kV/0.69kV 2000kVA降壓變壓器連接到低壓690V母線上，然后通過交流變頻系統(tǒng)實現(xiàn)對交流變頻電機供電，通過冗余的西門子S7-300系列PLC控制，實現(xiàn)對交流變頻電機的操作控制，滿足鉆修井工況的要求。HXJ135電控鉆修機配套的其他三相防爆直流電機的電力供應(yīng)來自于降壓后的690V母線，通過一臺0.69kV/0.4kV1000kVA降壓變壓器連接到低壓400V母線上，通過馬達控制中心的開關(guān)控制，滿足設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。HXJ135電控鉆修機電控原理如圖1所示。

圖1 HXJ135電控鉆修機電控原理圖

1.3 諧波機理分析

HXJ135電控鉆修機交流變頻器配置了2臺整流單元和2臺逆變單元，交流變頻系統(tǒng)在工作時，其輸入端的整流電路的阻抗不是一個定值，其阻抗隨著外加電壓的變化而發(fā)生變化，從而引起的電流波形發(fā)生畸變，因此導(dǎo)致整流單元從主電網(wǎng)中吸取的電流不是正弦波電流，而是包含了豐富的諧波成分。

1.3.1 整流單元與諧波次數(shù)的關(guān)系分析 HXJ135電控鉆修機交流變頻系統(tǒng)所使用的整流單元為三相6脈沖整流器，整流器所產(chǎn)生的諧波的種類與整流器脈數(shù)有關(guān)。諧波的種類與整流器脈數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式如下：

式中：M——整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)；P——整流器的脈數(shù)；N——自然數(shù)。

HXJ135電控鉆修機電控系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波有5次、7次、11次、13次等。根據(jù)關(guān)系公式，整流單元的脈沖越高，諧波次數(shù)成倍增多，所占諧波比重相應(yīng)減少，因此諧波產(chǎn)生的影響也會相應(yīng)的降低。

1.3.2 諧波電流的影響 諧波電流的產(chǎn)生會直接導(dǎo)致電網(wǎng)或變壓器過熱，諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓也會導(dǎo)致電網(wǎng)上的其他設(shè)備出現(xiàn)誤動作或使設(shè)備的性能降低，故障現(xiàn)象和原因分析見表1。

表1 諧波電流導(dǎo)致故障分析

2 諧波計算

由于諧波電流對HXJ135電控鉆修機電控系統(tǒng)和電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性有著較大的影響，為了盡量避免諧波電流所導(dǎo)致的不良后果，經(jīng)過對整流變壓器、無源濾波器、有源濾波器、有源整流器等幾種選配方案進行綜合比較分析，擬通過增配有源濾波器來減少交流變頻控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波電流。

2.1 負載功率計算

HXJ135電控鉆修機的三大工作機組分別為ZP275轉(zhuǎn)盤、JC520型絞車和F-800泥漿泵組，其中轉(zhuǎn)盤和絞車采用聯(lián)動驅(qū)動方式，配置1臺600kW的交流變頻電機（防爆），泥漿泵組單獨配置1臺600kW的交流變頻電機（防爆），因此HXJ135電控鉆修機的負載功率計算公式如下：

式中：PZJ—轉(zhuǎn)盤和絞車最大驅(qū)動功率；PN—泥漿泵最大驅(qū)動功率；cosΦ—功率因數(shù)，計算中取100%。

2.2 基波電流計算

HXJ135電控鉆修機的基波電流一般由低壓變頻器電流、不間斷電源電流以及其他設(shè)備電流等組成。電控鉆修機的不間斷電源電流和其他設(shè)備電流可以忽略不計，因此電控鉆修機的基波電流近似等于低壓變頻器電流，基波電流的計算公式如下：

式中：ΣIVVF——低壓變頻器電流；ΣIUPS——不間斷電源電流；ΣI其他——其他設(shè)備電流；Ue——0.69kV；cosΦ——功率因數(shù)0.97；η——效率0.975。

2.3 諧波電流計算

根據(jù)HXJ135電控鉆修機電控系統(tǒng)諧波種類與整流器脈數(shù)關(guān)系，依次計算出5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次的諧波電流。諧波總電流經(jīng)驗公式：

2.4 最大允許諧波計算

根據(jù)國家標(biāo)準：對使用諧波電流允許值的要求，計算HXJ135電控鉆修機允許諧波總電流。HXJ135電控鉆修機選用額定容量為2000kVA的35kV/0.69kV變壓器，變壓器額定電流1673A，變壓器阻抗7%，因此變壓器短路電流Sd為23.9kA。

最小運行方式電網(wǎng)短路容量可以用以下公式計算：[2]

電網(wǎng)諧波電流允許值可以用以下公式計算：[2]

式中：Sj——基準短路容量，取值10MVA。

2.5 超標(biāo)諧波計算

在不考慮HXJ135電控鉆修機的背景諧波和UPS所產(chǎn)生的諧波的情況下，在最小運行方式下，該系統(tǒng)電網(wǎng)實際諧波超標(biāo)值可以用以下公式計算：

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)對HXJ135電控鉆修機電控系統(tǒng)諧波的計算和分析，確定選配ABB（中國）有限公司生產(chǎn)的ABBPQFI-V2-M18（180A）有源濾波器。經(jīng)現(xiàn)場對HXJ135海洋鉆修機的電控系統(tǒng)進行試驗和測試，該型號的有源濾波器可以保證HXJ135電控鉆修機電控系統(tǒng)的電壓諧波畸變率低于標(biāo)準允許的5%范圍內(nèi)，濾波處理能力符合設(shè)計要求，滿足HXJ135海洋電控鉆修機的使用要求。■

[1]秦皇島32-6油田調(diào)整項目HXJ135鉆修機EPC項目基本設(shè)計文件[Z].天津中海油工程設(shè)計公司，2011.

[2]GB/T14549-93電能質(zhì)量 共用電網(wǎng)諧波[S].國家技術(shù)監(jiān)督局，1993.