隨鉆裝備的有源前端整流器仿真與試驗研究

為解決旋轉導向系統中無源二極管整流器導致交流端電流諧波大、直流總線電壓缺乏可控性，以及功率因數偏低的問題，提出應用于旋轉導向系統的有源前端整流器方案。通過對旋轉導向系統中發電整流模塊的電壓穩定性、電磁兼容性及功率管理的分析研究，構建了有源前端整流器仿真模型，并對其在空載到滿載及動態載荷變化下的性能進行仿真；實現了有源前端整流器的系統設計，并在實驗室內搭建了系統測試平臺。測試結果表明：發電機端電流諧波得到有效抑制，電流波形呈現高保真正弦特性，電流總諧波失真系數THD小于5%；直流總線電壓精準控制在400 V；穩態下，直流總線電壓展現零靜態誤差特性，系統功率因數大于0.9，確保高效率運行，各項參數符合設計指標。該有源前端整流器解決了旋轉導向供電系統中由于非線性元件影響系統穩定性和效率的問題，提升了發電利用率，使旋轉導向系統運行更加高效。

有源前端整流器；旋轉導向系統；仿真模型；功率因數；高效率運行

TE927

A

DOI： 10.12473/CPM.202401109

Simulation and Experimental Study on Active Front-End

Rectifier of Rotary Steering System

Li Fei" Chang Chenyu" Zhang Nan" Lü Fangxing

（School of Electronic Engineering， Xian Shiyou University;Xian Key Laboratory of Intelligent Equipment Development for Oil， Gas and Renewable Energy;Directional Drilling Branch， CNOOC Key Laboratory of Well Logging and Directional Drilling）

Passive diode rectifiers in rotary steering systems are deficient for high AC current harmonics， lack of controllability of DC bus voltage， and low power factor. This paper presents an active front-end rectifier scheme for rotary steering systems. By analyzing the voltage stability， electromagnetic compatibility and power management of the power generation rectifier module in the rotary steering system， a simulation model of the active front-end rectifier was built， and its performance under the conditions of no-load to full load and dynamic load was simulated. Moreover， a system design of the active front-end rectifier was completed， and a system test platform was constructed in the laboratory. The test results show that the current harmonics at the generator end is effectively suppressed， the current waveform exhibits high fidelity sine characteristics， and the total harmonic distortion （THD） of the current is less than 5%. The DC bus voltage is precisely controlled at 400 V. In steady state， the DC bus voltage exhibits zero static error characteristics， and the system power factor is greater than 0.9， ensuring efficient operation. All parameters meet the design indexes. The proposed active front-end rectifier solves the problems of system stability and efficiency affected by nonlinear components in the rotary steering power supply system， improves power generation utilization， and makes the operation of the rotary steering system more efficient.

active front-end rectifier;rotary steering system;simulation model;power factor;efficient operation

基金項目：國家自然科學基金企業創新發展聯合基金重點項目“復合式旋轉導向鉆井工具的理論與方法研究”（U20B2029）；國家重點研發計劃項目“海洋石油大直徑指向式旋轉導向系統研制”（2023YFC2810900）；陜西省重點研發計劃一般項目“基于半實物仿真的旋轉導向系統自動化導航方法和理論研究”（2024GX-YBXM-504）；陜西省技術創新引導專項“鐵鉆工扭矩測控及數據分析系統”（2024ZC-YYDP-22）；陜西省自然科學基金青年項目“非常規油氣開發中游標增敏光纖應變傳感機理及關鍵技術的研究與應用”（2023-JC-QN-0405）。

0" 引" 言

李飛，等：隨鉆裝備的有源前端整流器仿真與試驗研究

隨著井下裝備的發展，井下控制電子倉功能愈發復雜，對供電系統的電壓穩定性要求也越來越高［1］。目前，應用于旋轉導向工具的無源二極管整流器，雖能達到整流的目的，但存在很多不足之處［2］，在實際鉆井作業中主要表現為以下幾個問題：

①在渦輪沖擊鉆井液排量變化和實時負載變化下，發電機端電壓波動顯著，導向電機產生明顯的轉矩波動，對閉環控制及導向功能造成影響［3］；②由于諧波引起的電磁干擾會影響工具的控制電路，導致旋轉導向閉環控制系統以及井下數據通信出現異常；③由于直流總線電壓輸出范圍廣泛，促使下游元件選型過大，增大了控制電子倉的體積并增加了各電路板的設計復雜度；④由于功率管理有限，使用無源二極管整流器會導致較低的功率因數，產生額外的無功功率損耗，縮短了旋轉導向工具的使用壽命。

為此，本文提出一種新的發電整流系統方案，用以解決目前旋轉導向發電系統中無源二極管整流器存在的問題。這一方案能夠有效抑制輸入電流諧波、實現總線電壓可控、提高功率因數［4］，并滿足以下條件：①在發電機全轉速區間內，實現電壓波動最小化，迅速響應高動態工況，同時通過高效的直流總線電壓閉環控制系統，確保電壓穩定性和動態性能；②開關器件配合有源前端整流器的控制策略，有效應對輸入電流的諧波影響；③通過控制開關器件周期性關斷來控制輸出電壓和電流，進而對直流總線電壓進行準確控制，使其保持穩定輸出；④優化功率因數，使系統保持高功率因數運行，大幅提升旋轉導向發電系統效率。

以有源前端整流器的工作原理為基礎，建立旋轉導向工具的有源前端整流器Simulink模型。通過仿真分析與實際測試數據的對照，驗證有源前端整流器模型的準確性。所提出的發電整流系統方案有效地解決了旋轉導向工具中無源二極管整流器存在的諸多問題，包括諧波干擾、電壓波動和功率因數不足等。該方案通過優化控制策略和開關器件的應用，顯著提升了系統的穩定性和效率，延長了壽命，可為復雜鉆井作業提供穩定的電力支持。

1" 有源前端整流器數學模型

整流橋由3個上、下橋臂共6個MOSFET構成。旋轉導向系統的有源前端整流器的拓撲結構如圖 1所示。圖1中：Ua、Ub、Uc為三相交流電壓，ia、ib、ic為三相交流電流，R為輸入濾波電阻，L為輸入濾波電感，UDC為直流總線電壓，RL為直流側等效負載，C為直流側輸出電容［5］。

為防止有源前端整流器主拓撲結構中開關管同時導通，需正確設置上、下橋臂MOSFET。設函數Si，i=a、b、c。因此其開關狀態表示為［6］：

Si=1，i相上橋臂導通，下橋臂關斷0，i相上橋臂關斷，下橋臂導通（1）

根據基爾霍夫電壓定律，列寫三相交流電壓方程如下：

Ldiadt+Ria=Ua-vaN+vNO

Ldibdt+Rib=Ub-vbN+vNO

Ldicdt+Ric=Uc-vcN+vNO

（2）

式中：vaN、vbN、vcN分別為對應A、B、C與N點之間的電壓，V；vNO為N點與O點之間的電壓，V。

直流側電壓回路方程如下：

CdUDCdt=iaSa+ibSb+icSc-UDCRL（3）

式（2）中：

vNO=-UDC3Sa+Sb+Sc（4）

式中：Sa、Sb、Sc為橋臂斷通函數。

整理式（2）和式（4）可得三相靜止坐標系中，有源前端整流器數學模型如下：

Ldiadt+Ria=Ua-UDCSa-13∑i=a，b，cSi

Ldibdt+Rib=Ub-UDCSb-13∑i=a，b，cSi

Ldicdt+Ric=Uc-UDCSc-13∑i=a，b，cSi

CdUDCdt=∑i=a，b，cSi-UDCRL

（5）

經Clark-Park變換，三相靜止坐標系下的數學模型變換至d、q同步旋轉坐標系為：

Ldiddt=ud-Rid-SdUDC+ωLiq

Ldiqdt=uq-Riq-SqUDC+ωLid

CdUDCdt=32idSd+iqSq-UDCRL

（6）

式中：ud、uq為d、q旋轉坐標系中的電壓分量，V；id、iq為電流分量，A；Sd、Sq為斷通函數。

2" 整流器控制策略

設計了有源前端整流器控制系統，采用了以內環電流控制和外環電壓調節相結合的雙閉環控制結構。電壓外環穩定有源前端整流器的直流輸出，電流內環優化發電機側電流，提升系統功率因數，消減諧波效應。

2.1" 電流內環控制系統

為消除電流內環中ωLiq、ωLid耦合效應的干擾，采用前饋解耦控制方法，從而確保d軸與q軸的解耦控制。有源前端整流器電流內環控制結構如圖 2所示。

圖2中，d、q軸指令電流分別標記為id*和iq*。令iq*=0，以達成單位功率因數控制，Gis為電流內環控制器傳遞函數［7］：

引入前饋解耦策略，由此可推導出電流內環的開環傳遞函數。

Hit=GisGdsLs+R（7）

Gis=Kpi1+τiss（8）

式中：Kpi為電流環比列增益；τ為時間常數；s為拉普拉斯算子。

等效電流內環的采樣與輸出延遲，采用一階慣性環節近似表示：

Gds=1Tds+1（9）

式中：Td≈1.5Ts，Ts為電流采樣時間。

將式（8）和式（9）代入式（7），由此得出系統的開環傳遞函數His為［8］：

His=a1s+a0b3s3+b2s2+b1s+b0（10）

式中：a1=Kpiτi，a0=Kpi，b3=TdL，b2=TdR+L，b1=R，b0=0。

2.2" 電壓外環控制系統

電壓外環控制框圖如圖 3所示。

圖3中，Gvs為電壓外環控制器傳遞函數，表示為［9］：

Gvs=Kpv1+τvss（11）

式中：Kpv為電流環比列增益。

當開關頻率遠超電源頻率時，即Ts很小，電流內環的動態特性可等效為一階慣性行為，即有：

Φis=His1+His≈13Tss+1（12）

依據電壓外環控制結構，可推導出其開環傳遞函數表達式：

Hvs=Gvs3ed4Tss+1CUDCs（13）

式中：ed為電壓誤差。

相較于電流內環追求的快速響應，電壓外環更側重于系統的穩定性以及抗干擾能力。

3" 仿真建模與分析

3.1" 仿真模型設計

以MATLAB/Simulink為工具，構建有源前端整流器在旋轉導向系統中的仿真模型，如圖 4所示。通過空載至滿載及動態載荷仿真分析，驗證所提控制策略的可行性［10-11］。

針對當前旋轉導向系統的應用需求，給出了有源前端整流器的設計指標，如表 1所示。

3.2" 性能仿真測試

鑒于實驗室環境的局限，發電機轉速設定為3 000 r/min，基頻200 Hz，仿真持續0.3 s。在初始階段（0lt;tlt;0.02 s），MOSFET柵極未接PWM（脈寬調制）信號，系統運行于無源二極管整流模式；自t=0.02 s起，MOSFET柵極開始接收PWM信號，旋轉導向發電系統進入有源整流模式。

3.2.1" 空載性能仿真測試

將直流總線電壓目標值設定為400 V。運行模型并監測輸出直流總線電壓UDC，如圖 5所示。

由圖 5可知，在0lt;tlt;0.02 s階段，整流器在無源整流模式下對電容緩充，導致總線電壓低位波動且紋波大［12］。t=0.02 s，切換至有源整流，直流總線電壓于0.07 s左右達到目標值400 V。

3.2.2" 半載性能仿真測試

半載性能仿真結果如圖6所示。半載性能仿真測試設定負載電阻RL=200 Ω。發電機輸出A相電流如圖 6a所示［13］，t=0.02 s時，PWM信號控制MOSFET開關，快速穩定直流端電壓。經由發電機側交流電壓的快速精準調制，電流諧波得到有效抑制，確保系統穩定后的交流端電流正弦特性。為深入分析系統控制成效，進行交流端電流諧波分析，計算THD（總諧波失真），A相電流諧波分析結果如圖 6b所示。

由圖 6c和圖6d可知，系統在0.07 s達到穩態，選取0.1 s起始的穩態電流進行為期10周期的FFT（快速傅里葉變換）分析。穩態下，THD為4.09%。發電整流系統的功率因數為0.934 5，且直流總線電壓達到400 V目標值，負載電流2 A， 負載功率P=800 W。

3.2.3" 滿載性能仿真測試

滿載性能仿真結果如圖7所示。滿載性能仿真測試設定負載電阻RL=100 Ω。由圖7a可知，在t=0.02 s時，PWM信號驅動MOSFET開關，快速穩定直流端電壓。經由發電機端電流的精準調制，電流諧波得到有效抑制，確保系統穩定后的交流端電流正弦特性。為深入分析系統的控制效果，進行交流電流諧波分析，計算THD。

如圖7b所示，從0.10 s起，選擇穩態電流波形，進行10周期FFT分析。有源整流穩態時，測得THD為2.59%。發電整流系統功率因數0.960 5，表明其運行于高功率因數狀態;如圖7c和圖7d所示，直流總線電壓約0.07 s達到400 V目標值，負載電流IDC為4 A，對應功率P為1 600 W。突出控制系統優異的瞬態響應及穩定性，同時直流總線電壓紋波保持在低水平。

3.2.4" 動態載荷性能仿真測試

動態載荷性能仿真結果如圖8所示。t=0.15 s，負載RL由200 Ω突變至100 Ω。如圖 8a所示，于t=0.02 s時，PWM信號驅動整流器的MOSFET，形成高電流并確保直流側電壓穩定。系統穩態運行時，面對RL=100 Ω的瞬時負載變化，約在0.03 s

恢復穩定；負載躍變后，電壓擾動小，展現出顯著的抗干擾能力。動態負載下，發電機交流電流實現精準調制，提升了輸入電流靈活性，遏制了諧波畸變。穩態時，交流側電流接近正弦特性。對系統控制效能進行深入剖析，基于交流端電流諧波分析，計算THD。

負載突變后，系統在tgt;0.06 s恢復穩定，功率因數由突變前的0.960 1增至0.999 7，且突變后THD為2.62%。動態負載下，系統維持高功率因數，低電流諧波，穩定動態性能。

由圖8c和圖8d可知，直流母線約0.07 s精準達到400 V目標值，對應負載電流IDC為4 A。t=0.15 s時，負載突變，且在0.03 s內回穩至 400 V，IDC調至2 A。有源整流在動態、穩態及抗干擾等方面都顯示出優良的性能。

4" 系統測試及分析

4.1" 系統設計

有源前端整流器的系統設計涵蓋軟件與硬件2大板塊，如圖 9所示。

硬件部分，包含功率EMC濾波電路、PWM驅動電路、MOSFET電路、電流/電壓采樣調理電路及低壓供電電路等。系統的軟件設計是有源前端整流器的中樞，它直接決定了整個系統的控制效果和性能［14］。

由圖 9可知，原動機驅動隨鉆渦輪發電機，通過變頻器調速，生成三相交流電。MOSFET功率電路對接發電機輸出，配合電流內環與電壓外環采樣電路，采集交流輸入與直流電壓信號，經DSP處理，控制系統生成PWM信號，經驅動后，精準調控MOSFET，實現發電機側電流正弦化。低壓電路為采樣、驅動及DSP提供電源支持。

4.2" 系統測試平臺搭建

針對以上無源整流和有源整流2種模式下對應的問題，構建了一套完整的實驗室系統測試平臺，如圖 10所示。測試平臺主要由三相交流電源、低壓輔助供電、有源前端整流器、負載電阻以及上位機［15］組成。

4.3" 有源前端整流器性能測試

4.3.1" 無源整流性能測試

三相交流電源相電壓有效值設為100 V，計算可得直流總線電壓約為220 V。圖11為無源整流電氣特性。由圖11可知，系統啟動，通過MOSFET寄生二極管進行無源整流測試，并于理論值進行比較，測得直流總線電壓約為219 V，與理論值符合。

直流總線電壓穩定后，啟用上位機采集數據，記錄直流總線電壓與功率因數。在無源整流模式下，交流側電流呈現出顯著的諧波失真，且非正弦變化，功率因數約為0.86［16］。

4.3.2" 有源整流滿載性能測試

對有源整流模式下滿載性能進行測試，設定三相交流電源相電壓有效值為100 V。圖12為有源整流直流總線電壓。由圖12可知，系統啟動后，在tlt;40 ms時，系統處于無源整流，在該模式下直到直流總線電壓穩定，切換至有源整流器模式，直流總線電壓達到400 V目標值并穩定。相比于無源模式，有源模式下的交流端電流畸變大幅緩解，波形趨向正弦且滿載時功率因數接近1，系統高效運行。

4.3.3" 有源整流動態輸入性能測試

有源整流的動態輸入性能測試將模擬隨鉆渦輪發電機在真實情況下轉速變化的情況。測試中，三相交流電源輸出電壓設定在100～120 V范圍內。輸入為100 V時，啟動有源整流，同時改變輸入電壓，用來模擬多工況運行，結果如圖13所示。

由圖13可知：系統啟動后，在0～83 ms內，系統處在無源整流模式；84 ms后，經有源整流的直流總線電壓迅速達到400 V目標值。交流電壓輸出可在100～120 V間變化，有效抑制了總線電壓波動且穩定在400 V設定值。在動態輸入下，功率因數接近1。

5" 結" 論

（1）針對目前旋轉導向發電系統中無源二極管整流器的問題，采用有源前端整流來代替無源二極管整流方案，充分利用有源整流的靈活性，對電壓、電流進行穩定控制。

（2）系統無源整流時，直流總線電壓無法得到穩定控制，并且功率因數約為0.8，同時伴有電流諧波畸變的問題；當系統啟動有源前端整流后，PWM信號控制MOSFET開關，實現直流總線電壓400 V穩定的目標值。

（3）有源前端整流發電系統達到穩態時，交流端電流諧波低，波形近似正弦變化，THD小于5%，功率因數超過0.9，系統處于高功率因數，符合設計指標。

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第一李飛，教授，生于1977年，2006年畢業于英國斯特萊思克萊德大學電子和電氣工程專業，獲博士學位。現從事旋轉導向系統、鉆井自動化及隨鉆測量研究及教學工作。地址：（710065）陜西省西安市。email： lif@xsyu.edu.cn。

2024-01-30" 修改稿收到日期：2024-07-28