利用ETAP軟件建模進行模塊鉆機有源濾波器選型

率冉冉，范路芳，董永武(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

海洋平臺

利用ETAP軟件建模進行模塊鉆機有源濾波器選型

率冉冉，范路芳，董永武
(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

模塊鉆機上的鉆井設備比如泥漿泵、絞車、頂驅等大電機均采用變頻控制，變頻器在驅動電機進行變頻調速的過程中，由于半導體器件的開關特性，在其網側產生大量諧波，對電網產生污染，所以需對諧波進行治理，通常鉆機對諧波進行補償的方式是設置有源濾波器。文章以某模塊鉆機為例，利用ETAP軟件建立電氣系統模型，確定模塊鉆機電氣系統的諧波電流值，為選擇適合的有源濾波器提供依據，使模塊鉆機的整個電網系統的諧波含量符合國家標準。

ETAP軟件；諧波計算；有源濾波器選型

1 ETAP軟件簡介

ETAP是一款功能全面的綜合型電力及電氣分析軟件，擁有強大、完善的計算分析功能及直觀的操作界面。只要根據電氣系統在ETAP軟件中建立相應的單線圖，定義好各個電氣設備的參數及諧波源的模型，就可以在軟件中模擬電站的運行方式，在單線圖中直接進行虛擬操作，只需要一個計算按鈕，就可以得到諧波潮流及頻率響應曲線，從而得到諧波對電站的影響結果。

2 鉆機電氣系統組成

模塊鉆機主電源由4臺1 714 kVA CAT發電機組提供，電制為690 V,50 Hz，3 Ph，3 W，通過690 V電源進線柜連接到模塊鉆機690 V低壓盤母排上。正常情況下3臺發電機運行，1臺發電機備用。400 V用電設備則通過2臺690 V/400 V ，1 250 kVA變壓器供電。鉆機模塊上的主要鉆井設備：3臺高壓泥漿泵組，絞車，頂驅，轉盤等都為600 V負載，其電動機全部為交流電機，采用全交流變頻(6脈沖)控制系統對其進行控制。

模塊鉆機電氣系統主要諧波源是為以下設備供電的變頻器：①頂驅(1 000 kW)；②3臺泥漿泵(1 200 kW,2用1備)；③絞車(1 600 kW)；④轉盤(600 kW，備用)。其中泥漿泵由690 V低壓盤母排LA段供電，頂驅、絞車、轉盤由690 V低壓盤母排LB段供電。

3 計算假設條件

鉆機模塊的690 V母排共為2段， LA段上有3臺1 200 kW(2用1備)的由全交流變頻驅動系統控制的大型電動機， LB段上有1臺1 600 kW、1臺600 kW、1臺1 000 kW的由全交流變頻驅動系統控制的大型電動機。交流變頻驅動系統的優點顯而易見，但它也采用的是大功率電力半導體器件，會產生大量的高次諧波。本項目采用6脈沖交流變頻驅動系統，將會產生5次，7次，11次，13次，17次，19次等6n±1次諧波，其中n為任一自然數。

在諧波分析計算中，電力系統工況將按以下假設條件進行考慮。

1) 鉆機模塊是由本身自設的柴油發電機供電，此諧波計算只限于鉆機模塊本身諧波源產生的諧波，諧波的治理也只限于鉆機模塊電網。

2) 按照在鉆機模塊690 V母排上所有交流變頻裝置產生的總的諧波電流畸變率THDi來進行計算。

3) 因平臺空間所限，考慮采用2組有源濾波器分別集中補償2段690 V母排上的諧波含量。

4) 主電站4臺主機全部運行，2臺1 250 kVA變壓器為分列運行狀態。

5) 計算時將按照最大工況(倒滑眼工況)進行考慮，此時頂驅、2臺泥漿泵和絞車將同時工作，其中2臺泥漿泵將作為一個諧波源進行考慮，此工況下的電機負荷如表1所示。

表1 電機負荷表

4 電氣系統主要設備參數

電氣系統主要設備參數如表2、表3所示。

表2 發電機參數

續表2 發電機參數

表3 主變壓器參數

5 諧波分析計算

根據諧波標準 IEEE 519—1992[1]，諧波電流含量標準如表4所示。

表4 IEEE 519—1992關于諧波電流畸變值的限制規定

表4中ISC為公共連接點的最大短路電流；IL為公共連接點的最大基波負荷電流；h為諧波次數；THD為電流的總畸變率。

由于海洋電力系統屬于微電網系統，濾波器接入點的最大的短路電流與最大負荷電流的關系為：最大的短路電流ISClt;20倍最大基波負荷電流IL，故諧波電流的有限值應為5% 的基波電流以內。故取在基波電流的5% 以內的諧波電流值為符合要求的值。

基波電流IL=Irms/(1+THDi2)1/2,

(1)

式中：Irms為公共連接點電流有效值；THDi為諧波電流的總畸變率。

諧波電流IH=THDi×IL。

(2)

使用ETAP軟件建立鉆機電氣系統模型并完成的諧波分析計算結果，結果表明母排LA段、LB段的諧波電流畸變率為30.01%。

6 計算結果

根據ETAP軟件分析結果及公式(1)、公式(2)可以得到如下計算結果。

1)為頂驅供電的電纜處電流有效值Irms為 525.8 A，諧波電流畸變率THDi為30.01 %，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=503.6 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=151.1 A。

根據IEEE 519—1992，限制電流為：IL×5%=25.2 A。

補償電流為：I1=151.1-25.2=125.9 A。

2)為泥漿泵供電的電纜處電流有效值Irms為1 129 A，諧波電流畸變率THDi為30.01 %，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=1 081.4 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=324.5 A。

根據IEEE 519—1992，限制電流為：IL×5%=54.1 A。

補償電流為：I2=324.5-54.1=270.4 A。

3)為絞車供電的電纜處電流有效值Irms為453 A，諧波電流畸變率THDi為30.01%，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=433.9 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=130.2 A。

根據IEEE519-1992，限制電流為：IL×5%=21.7 A。

補償電流為：I3=130.2-21.7=108.5 A。

4)根據以上計算結果，總補償電流為：

I=I1+I2+I3=125.9+270.4+108.5=504.8 A。

根據以上計算結果，考慮負載波動范圍內諧波電流的波動，可對690 V母排進行600 A的電流補償,考慮到電氣設備維護的便利性，在690 V母排LA段和LB段各配置1臺300 A的有源濾波器對諧波電流進行補償，實現模塊鉆機電力系統有效的諧波治理。

本項目鉆機2015年5月出海，經過陸地調試和海上調試，電氣諧波在規范允許的范圍內，預計2015年7月即可投入使用。

7 結束語

ETAP軟件有豐富的諧波源庫，海洋平臺常用的變頻器比如ABB,ROCKWELL等廠家變頻器都可以在ETAP中找到相應的諧波源模型。由上可以看出，利用ETAP軟件仿真手段，建立電氣模型對諧波源諧波電流進行計算分析是十分快捷方便的，這為有源濾波器的快速選型打下了良好的基礎。

[1]IEEE 519—1992，IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems[S].

Frequency control is used mostly on module drilling equipments such as mud pump，winch and top drive with heavy motors.In the course of frequency speed-governing,a lot of harmonic waves are produced on line side because of the character of semi-conductor's switch,which make pollutant on grid and must be governed by compensation with active filter.Taking some certain module drilling as example,the current value on harmonic waves can be confirmed by setting electrical system model with software ETAP,which provides basis for choosing proper active filter,making the harmonic waves content on gird in accord with national standard.

software ETAP;harmonic wave calculation;active filter tectotype

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.017

率冉冉(1981-)，女，山東濟寧人，工程師，大學本科，主要從事海洋工程電氣設計工作。

2015-06-26