有源滤波器在HXJ135电控钻修机上的设计应用

丁辉 张超 （中国海洋石油天津分公司生产部 天津 300456)

张颛利 （中国海洋石油能源发展油田建设工程公司 天津 300456）)

随着中海油渤海油田海上电网组网技术的成功应用和电控变频技术在海洋钻修机上的应用，渤海油田新建造的海洋钻修机进入了从柴油机动力驱动向电控变频电机驱动发展的新阶段。

目前，海洋电控钻修机绞车电机、高压泥浆泵电机的电力供应来自于平台35kV电力主网经过变压器降压后的690V配电盘，并采用6脉冲交流变频系统（VFD）进行控制，电控钻修机的交流变频系统主要由逆变单元、整流单元等大功率电子器件组成，导致产生了6n±1次（n为自然数）谐波，该谐波的产生不但会影响整个油田电力主网的稳定性和安全性，而且也会引起其他设备的误动作或性能的降低。因此，中海石油天津分公司提出了对秦皇岛32-6作业油田HXJ135电控钻修机电传系统增加有源滤波器的设计思路，以保证整个油田电力主网和电控钻修机电传系统的使用安全。

1 技术分析

1.1 结构

HXJ135电控钻修机主要由变压器房、MCC房、VFD房、应急间、制动电阻间、PLC控制系统、防爆正压系统、照明系统、通讯系统、消防喷淋系统及冷却系统构成。HXJ135电控钻修机的变压器房内设有1台35kV/0.69kV变压器和1台0.69kV/0.4kV变压器；MCC房主要设有各种配电盘和各种马达控制开关；VFD房主要设有整流单元、逆变单元、制动电阻、冷却系统及控制系统；应急间主要是各种应急配电盘和马达控制开关等。[1]

1.2 工作原理

HXJ135电控钻修机主绞车和F-800泥浆泵的动力驱动机组均采用600kW的交流变频电机（防爆），其主电力供应来自平台配电间的35kV中压母线，通过一台35kV/0.69kV 2000kVA降压变压器连接到低压690V母线上，然后通过交流变频系统实现对交流变频电机供电，通过冗余的西门子S7-300系列PLC控制，实现对交流变频电机的操作控制，满足钻修井工况的要求。HXJ135电控钻修机配套的其他三相防爆直流电机的电力供应来自于降压后的690V母线，通过一台0.69kV/0.4kV1000kVA降压变压器连接到低压400V母线上，通过马达控制中心的开关控制，满足设备的正常运转。HXJ135电控钻修机电控原理如图1所示。

图1 HXJ135电控钻修机电控原理图

1.3 谐波机理分析

HXJ135电控钻修机交流变频器配置了2台整流单元和2台逆变单元，交流变频系统在工作时，其输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化而发生变化，从而引起的电流波形发生畸变，因此导致整流单元从主电网中吸取的电流不是正弦波电流，而是包含了丰富的谐波成分。

1.3.1 整流单元与谐波次数的关系分析 HXJ135电控钻修机交流变频系统所使用的整流单元为三相6脉冲整流器，整流器所产生的谐波的种类与整流器脉数有关。谐波的种类与整流器脉数关系的经验公式如下：

式中：M——整流器产生的谐波次数；P——整流器的脉数；N——自然数。

HXJ135电控钻修机电控系统所产生的谐波有5次、7次、11次、13次等。根据关系公式，整流单元的脉冲越高，谐波次数成倍增多，所占谐波比重相应减少，因此谐波产生的影响也会相应的降低。

1.3.2 谐波电流的影响 谐波电流的产生会直接导致电网或变压器过热，谐波电流产生的谐波电压也会导致电网上的其他设备出现误动作或使设备的性能降低，故障现象和原因分析见表1。

表1 谐波电流导致故障分析

2 谐波计算

由于谐波电流对HXJ135电控钻修机电控系统和电网系统的稳定性、可靠性和安全性有着较大的影响，为了尽量避免谐波电流所导致的不良后果，经过对整流变压器、无源滤波器、有源滤波器、有源整流器等几种选配方案进行综合比较分析，拟通过增配有源滤波器来减少交流变频控制系统所产生的谐波电流。

2.1 负载功率计算

HXJ135电控钻修机的三大工作机组分别为ZP275转盘、JC520型绞车和F-800泥浆泵组，其中转盘和绞车采用联动驱动方式，配置1台600kW的交流变频电机（防爆），泥浆泵组单独配置1台600kW的交流变频电机（防爆），因此HXJ135电控钻修机的负载功率计算公式如下：

式中：PZJ—转盘和绞车最大驱动功率；PN—泥浆泵最大驱动功率；cosΦ—功率因数，计算中取100%。

2.2 基波电流计算

HXJ135电控钻修机的基波电流一般由低压变频器电流、不间断电源电流以及其他设备电流等组成。电控钻修机的不间断电源电流和其他设备电流可以忽略不计，因此电控钻修机的基波电流近似等于低压变频器电流，基波电流的计算公式如下：

式中：ΣIVVF——低压变频器电流；ΣIUPS——不间断电源电流；ΣI其他——其他设备电流；Ue——0.69kV；cosΦ——功率因数0.97；η——效率0.975。

2.3 谐波电流计算

根据HXJ135电控钻修机电控系统谐波种类与整流器脉数关系，依次计算出5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次的谐波电流。谐波总电流经验公式：

2.4 最大允许谐波计算

根据国家标准：对使用谐波电流允许值的要求，计算HXJ135电控钻修机允许谐波总电流。HXJ135电控钻修机选用额定容量为2000kVA的35kV/0.69kV变压器，变压器额定电流1673A，变压器阻抗7%，因此变压器短路电流Sd为23.9kA。

最小运行方式电网短路容量可以用以下公式计算：[2]

电网谐波电流允许值可以用以下公式计算：[2]

式中：Sj——基准短路容量，取值10MVA。

2.5 超标谐波计算

在不考虑HXJ135电控钻修机的背景谐波和UPS所产生的谐波的情况下，在最小运行方式下，该系统电网实际谐波超标值可以用以下公式计算：

3 现场应用

根据对HXJ135电控钻修机电控系统谐波的计算和分析，确定选配ABB（中国）有限公司生产的ABBPQFI-V2-M18（180A）有源滤波器。经现场对HXJ135海洋钻修机的电控系统进行试验和测试，该型号的有源滤波器可以保证HXJ135电控钻修机电控系统的电压谐波畸变率低于标准允许的5%范围内，滤波处理能力符合设计要求，满足HXJ135海洋电控钻修机的使用要求。■

[1]秦皇岛32-6油田调整项目HXJ135钻修机EPC项目基本设计文件[Z].天津中海油工程设计公司，2011.

[2]GB/T14549-93电能质量 共用电网谐波[S].国家技术监督局，1993.