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論文摘要：對(duì)修井機(jī)電力系統(tǒng)諧波分析進(jìn)行研究，概述了電驅(qū)修井機(jī)諧波產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，通過兩種諧波分析方法對(duì)LD32-2修井機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析，根據(jù)結(jié)果提出合理的濾波方案，諧波分析的結(jié)果表明，變頻器的廣泛應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，應(yīng)該采取措施進(jìn)行抑制，減少諧波對(duì)配電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的影響，提高電驅(qū)動(dòng)修井機(jī)的可靠性。
論文關(guān)鍵詞：諧波分析,修井機(jī)電力系統(tǒng),仿真計(jì)算,有源濾波
　　一、引言
　　現(xiàn)階段，為了提高油田修井效率，電驅(qū)動(dòng)修井機(jī)越來越多的采用非線性電力電子設(shè)備，如變頻器、電機(jī)軟起動(dòng)器等。而當(dāng)正弦交流電壓施加于這些非線性負(fù)荷時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，這些畸變的諧波電流注入到電網(wǎng)中，形成了電力系統(tǒng)的諧波源，直接導(dǎo)致了設(shè)備過熱、功率因數(shù)降低、設(shè)備性能破壞、保護(hù)設(shè)備不能正常操作、通訊設(shè)備被干擾等問題，這些情況下很可能導(dǎo)致電路共振，從而引發(fā)電力設(shè)備絕緣故障和其他設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。更嚴(yán)重的是一個(gè)區(qū)域的諧波電流會(huì)滲透到系統(tǒng)電網(wǎng)或其它領(lǐng)域，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電壓和電流畸變。因此，在修井機(jī)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要越來越多的考慮諧波對(duì)系統(tǒng)的影響。
　　通過對(duì)修井機(jī)電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、現(xiàn)狀及主要抑制手段進(jìn)行概述，利用計(jì)算方法和仿真軟件對(duì)LD32-2海洋修井機(jī)電力系統(tǒng)進(jìn)行諧波計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出合理的濾波方案。
　　二、LD32-2海洋修井機(jī)電力系統(tǒng)諧波問題分析
　　2.1、諧波標(biāo)準(zhǔn)
　　針對(duì)諧波造成的巨大危害，世界上各種國(guó)際學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但總的趨勢(shì)是加強(qiáng)對(duì)諧波電流畸變的限制，主要標(biāo)準(zhǔn)有歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-2-2-2002，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有IEC519-1992，中國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。LD32-2修井機(jī)遵循IEEE519諧波標(biāo)準(zhǔn)。按照此標(biāo)準(zhǔn)，LD32-2修井機(jī)電力系統(tǒng)的諧波畸變率不能超過5％。
　　2.2諧波分析指標(biāo)
　　諧波分析主要分為兩個(gè)方面：一是阻抗掃描，又稱為頻率掃描，得到待研究母線輸入端阻抗的模值與諧波次數(shù)或頻率之間的關(guān)系曲線，該曲線對(duì)找出諧振點(diǎn)很有用處，阻抗值的突然上升標(biāo)志著并聯(lián)諧振，而阻抗值的突然降低表示串聯(lián)諧振；另一個(gè)是諧波潮流計(jì)算，其得到的是線路電流和母線電壓的基波值和諧波值。
　　評(píng)價(jià)諧波畸變率的參數(shù)主要有2個(gè)。
　�。�1）諧波含有率HR（HarmonicRatio）
　　工程上常要求給出電壓或電流畸變波形中的某次諧波的含有率，以便監(jiān)測(cè)和采取抑制措施。電壓畸變波形和電流畸變波形的第n次諧波含有率分別為
　　HRU=×100％（1）
　　HRI=×100％（2）
　　式中U，I第n次諧波電壓和電流有效值；
　　U，I基波電壓和電流有效值。
　　實(shí)際工作中對(duì)諧波含有率常以頻譜（幅頻特性）來表示。
　�。�2）總諧波畸變率THD（TotalHarmonicDistortion）
　　THD為各次諧波有效值平方和的方根值與其基波有效值的百分比，簡(jiǎn)稱畸變率DF（DistortionFactor）。
　　電壓的總諧波畸變率為
　　THD=×100％
　　電流的總諧波畸變率為
　　THD=×100％
　　通常規(guī)定低壓供電電壓的畸變率不得超過5％，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)符合工業(yè)供電的電壓波形，近似為正弦波形。
　　2.3、LD32-2修井機(jī)電力系統(tǒng)諧波分析
　　LD32-2修井機(jī)主電源由平臺(tái)6.3kV中壓母排通過一臺(tái)變壓器（6.3kV/0.6kV，4000kVA，50Hz）連接到修井機(jī)的0.6kV母排上。修井機(jī)上的主要負(fù)載為絞車、高壓泥漿泵、轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)，其中絞車由兩臺(tái)600KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤由一臺(tái)600KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高壓泥漿泵由4臺(tái)600KW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些電機(jī)的變頻器整流單元均采用6脈波整流器。在工作中會(huì)產(chǎn)生很大的非正弦畸變電流，對(duì)修井機(jī)電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的干擾。此外，修井機(jī)的變壓器、不間斷電源UPS、熒光燈以及電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器均會(huì)帶來一定的諧波干擾。
　　這些諧波將直接對(duì)修井機(jī)平臺(tái)600V母線上的設(shè)備產(chǎn)生影響，對(duì)于6.3KV/600V變壓器將會(huì)引起變壓器損耗增加，進(jìn)而引起變壓器鐵心溫度升高，使變壓器的過載能力降低；由于畸變電壓導(dǎo)致峰值電壓升高，進(jìn)而使電纜的絕緣應(yīng)力增加，引起電纜的絕緣故障。由于修井機(jī)MCC系統(tǒng)（馬達(dá)控制中心）的400V電源是通過一臺(tái)1000KVA的600V/400V的變壓器轉(zhuǎn)換而來的，因此600V母線上的諧波也會(huì)影響400V母線上的設(shè)備，直接導(dǎo)致400V交流電動(dòng)機(jī)的溫升增加，由諧波產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)更大的噪聲，脈沖轉(zhuǎn)矩還可能造成電動(dòng)機(jī)與所驅(qū)動(dòng)機(jī)械的諧振，造成更大的危害。還會(huì)影響修井機(jī)儀表系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性；引起照明系統(tǒng)熒光燈故障。
　　更嚴(yán)重的是修井機(jī)平臺(tái)的諧波電流會(huì)滲透到給它供電的中心平臺(tái)電網(wǎng)，從而導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)的電壓和電流畸變。
　　三、LD32-2修井機(jī)諧波計(jì)算
　　3.1、利用公式計(jì)算
　　修井機(jī)諧波源主要產(chǎn)生在600V交流母線上，根據(jù)諧波標(biāo)準(zhǔn)IEEE519-1992，600V系統(tǒng)有源濾波器的諧波電流的計(jì)算如下所示：
　　由于修井機(jī)電力系統(tǒng)屬于微電網(wǎng)系統(tǒng)，濾波器接入點(diǎn)的最大的短路電流與最大負(fù)荷電流的關(guān)系為：最大的短路電流倍最大負(fù)荷電流，故諧波電流的有限值應(yīng)為I的5%以內(nèi)。 故取在基波電流的5%以內(nèi)的諧波電流值為符合要求的值。
　　600V系統(tǒng)有源濾波器的諧波電流的計(jì)算如下：
　　基波電流I=I/(1+THDI)
　　諧波電流I=THDI×I
　　THDI――總的諧波電流畸變率
　　I―――負(fù)荷電流
　　將諧波計(jì)算公式和計(jì)算條件做在EXCEL表格中，生成如下計(jì)算結(jié)果如下：
　　

	絞車	轉(zhuǎn)盤/頂驅(qū)	泥漿泵
IEEE519允許畸變率	0.05
變頻器諧波電流畸變率THDI	0.25
修井工況下的負(fù)荷率	0.2	0.6	0.65
功率因數(shù)	0.85	0.85	0.85
額定電壓(V)	600	600	600
額定負(fù)荷(KW)	1200	600	2400
工況下負(fù)荷(KW)	240	360	1560
負(fù)荷電流A（Ir）	271.70	407.55	1766.06
基波電流A（IL）	263.58	395.38	1713.33
諧波電流A（IH）	65.89	98.84	428.33
諧波電流合計(jì)A	593.07
額定電流合計(jì)A	2445.31
總諧波畸變率	0.2425
允許諧波電流A	122.26
需補(bǔ)償?shù)闹C波電流A	470.81

由上表可以看出總的諧波畸變率已達(dá)到24.25％，超出了IEEE519中允許的5％畸變率。需要采用諧波抑制措施，補(bǔ)償諧波電流470A。
　　3.2、利用仿真軟件計(jì)算分析
　　利用ETAP電力系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行分析，ETAP是一個(gè)全界面的電力系統(tǒng)仿真分析、計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件，擁有標(biāo)準(zhǔn)的離線仿真模塊，具有高級(jí)、實(shí)時(shí)仿真、優(yōu)化和高速智能甩負(fù)荷等功能。ETAP的諧波分析程序能精確模擬電力設(shè)備模型，該程序有兩種諧波分析方法：諧波潮流分析和諧波頻率掃描，都是電力系統(tǒng)諧波分析中最流行并有效的分析方法。
　　在電力系統(tǒng)諧波分析時(shí)通常將諧波源處理為諧波電流源，修井機(jī)電力系統(tǒng)的主要諧波源為變頻器。ETAP能直接將變頻器模塊在單線圖中反映出來，并能夠選擇變頻器各廠家不同型號(hào)的諧波參數(shù)，或者典型的VFD變頻器的諧波模型，通過圖形觀測(cè)諧波源的波形和頻譜。
　　ETAP建模單線圖與工程單線圖一致，設(shè)備參數(shù)根據(jù)實(shí)際選型輸入，變頻器選擇庫(kù)中的ABB公司的6脈波變頻器。建立模型如下圖：
　　
　　運(yùn)行ETAP諧波潮流分析程序，完成諧波潮流分析，得到BUS2600V母線上的諧波畸變率如下：
　　
　　
　　600V母線上的諧波畸變率達(dá)到了22.84％，超過了IEEE519中允許的5％畸變率。需要采用諧波抑制措施。需要進(jìn)行諧波補(bǔ)償電流為436A。
　　以下為BUS2600V母線上的諧波電壓仿真曲線：
　　
　　通過以上兩種方法的分析，都可以得到修井機(jī)電力系統(tǒng)需要進(jìn)行諧波抑制的結(jié)論，采用公式計(jì)算的方法得出的諧波畸變率偏大，但最終的諧波電流補(bǔ)償值相差不大。我們采用軟件分析的結(jié)果，諧波畸變率為22.84％，需補(bǔ)償電流436A。
　　四、濾波方案選擇
　　諧波抑制方法有以下幾種：
　　1、選擇12脈波變頻器
　　如果選用12脈波的變頻器，并內(nèi)置交流電抗器抑制諧波，使輸入輸出的電流都近似正弦波，保證變頻器的綠色化，可以從根本上解決諧波問題。但是成本會(huì)比較高。
　　2、有源濾波器和無源濾波器方案
　　因?yàn)闊o源濾波器是根據(jù)功率因數(shù)的高低投切電容器以濾除諧波，因此在修井機(jī)電力系統(tǒng)功率因數(shù)都大于90％的系統(tǒng)中濾波效果差，而有源濾波器根據(jù)諧波電流大小控制濾波，采用閉環(huán)技術(shù)，精度佳，濾波效率高。無源濾波器只能濾除某次諧波。如需要同時(shí)濾除多次諧波，則體積龐大，價(jià)格昂貴，而有源濾波器可以同時(shí)濾除20種諧波（即可同時(shí)濾除3、5、7、11、13、17、19等多次諧波），可濾除最高達(dá)50次的諧波。無源濾波器容易過載，當(dāng)因過載而旁路后，無任何濾波效果。有源濾波器在容量范圍內(nèi)不易發(fā)生過載，只根據(jù)電源大小和本身能力濾波。由此，在本次設(shè)計(jì)中考慮選用有源濾波器。
　　有源濾波器連接方式選擇
　　有源濾波器有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式。串聯(lián)方式的特點(diǎn)是：
　　A、缺少靈活性，有較大損耗。
　　B、有源濾波器如有故障會(huì)影響整條線路的供電，降低供電的可靠性。
　　并聯(lián)方式的特點(diǎn)為：
　　A、靈活性好，可容易的連接到配電系統(tǒng)的任意位置，實(shí)現(xiàn)局部補(bǔ)償、部分補(bǔ)償和全局補(bǔ)償。
　　B、擴(kuò)容性能好，在非線性負(fù)載增大時(shí)，可直接并聯(lián)擴(kuò)容，簡(jiǎn)單方便。
　　C、安全性好，可保證對(duì)負(fù)荷的連續(xù)安全供電。
　　由此，選擇并聯(lián)連接的有源濾波器，根據(jù)有源濾波器選型手冊(cè)，選用電流補(bǔ)償值為500A的有源濾波器。
　　五、結(jié)論
　　變頻器在修井機(jī)中的廣泛應(yīng)用提高了修井機(jī)的自動(dòng)化程度，但同時(shí)其產(chǎn)生的諧波問題也為修井機(jī)配電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了挑戰(zhàn)，通過科學(xué)的計(jì)算，選用合適的有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償可以減少和抑制諧波，凈化修井機(jī)電網(wǎng)，進(jìn)而提高修井機(jī)可靠性和使用壽命，減少修井機(jī)電氣故障。
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