利用ETAP软件建模进行模块钻机有源滤波器选型

率冉冉，范路芳，董永武(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

海洋平台

利用ETAP软件建模进行模块钻机有源滤波器选型

率冉冉，范路芳，董永武
(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

模块钻机上的钻井设备比如泥浆泵、绞车、顶驱等大电机均采用变频控制，变频器在驱动电机进行变频调速的过程中，由于半导体器件的开关特性，在其网侧产生大量谐波，对电网产生污染，所以需对谐波进行治理，通常钻机对谐波进行补偿的方式是设置有源滤波器。文章以某模块钻机为例，利用ETAP软件建立电气系统模型，确定模块钻机电气系统的谐波电流值，为选择适合的有源滤波器提供依据，使模块钻机的整个电网系统的谐波含量符合国家标准。

ETAP软件；谐波计算；有源滤波器选型

1 ETAP软件简介

ETAP是一款功能全面的综合型电力及电气分析软件，拥有强大、完善的计算分析功能及直观的操作界面。只要根据电气系统在ETAP软件中建立相应的单线图，定义好各个电气设备的参数及谐波源的模型，就可以在软件中模拟电站的运行方式，在单线图中直接进行虚拟操作，只需要一个计算按钮，就可以得到谐波潮流及频率响应曲线，从而得到谐波对电站的影响结果。

2 钻机电气系统组成

模块钻机主电源由4台1 714 kVA CAT发电机组提供，电制为690 V,50 Hz，3 Ph，3 W，通过690 V电源进线柜连接到模块钻机690 V低压盘母排上。正常情况下3台发电机运行，1台发电机备用。400 V用电设备则通过2台690 V/400 V ，1 250 kVA变压器供电。钻机模块上的主要钻井设备：3台高压泥浆泵组，绞车，顶驱，转盘等都为600 V负载，其电动机全部为交流电机，采用全交流变频(6脉冲)控制系统对其进行控制。

模块钻机电气系统主要谐波源是为以下设备供电的变频器：①顶驱(1 000 kW)；②3台泥浆泵(1 200 kW,2用1备)；③绞车(1 600 kW)；④转盘(600 kW，备用)。其中泥浆泵由690 V低压盘母排LA段供电，顶驱、绞车、转盘由690 V低压盘母排LB段供电。

3 计算假设条件

钻机模块的690 V母排共为2段， LA段上有3台1 200 kW(2用1备)的由全交流变频驱动系统控制的大型电动机， LB段上有1台1 600 kW、1台600 kW、1台1 000 kW的由全交流变频驱动系统控制的大型电动机。交流变频驱动系统的优点显而易见，但它也采用的是大功率电力半导体器件，会产生大量的高次谐波。本项目采用6脉冲交流变频驱动系统，将会产生5次，7次，11次，13次，17次，19次等6n±1次谐波，其中n为任一自然数。

在谐波分析计算中，电力系统工况将按以下假设条件进行考虑。

1) 钻机模块是由本身自设的柴油发电机供电，此谐波计算只限于钻机模块本身谐波源产生的谐波，谐波的治理也只限于钻机模块电网。

2) 按照在钻机模块690 V母排上所有交流变频装置产生的总的谐波电流畸变率THDi来进行计算。

3) 因平台空间所限，考虑采用2组有源滤波器分别集中补偿2段690 V母排上的谐波含量。

4) 主电站4台主机全部运行，2台1 250 kVA变压器为分列运行状态。

5) 计算时将按照最大工况(倒滑眼工况)进行考虑，此时顶驱、2台泥浆泵和绞车将同时工作，其中2台泥浆泵将作为一个谐波源进行考虑，此工况下的电机负荷如表1所示。

表1 电机负荷表

4 电气系统主要设备参数

电气系统主要设备参数如表2、表3所示。

表2 发电机参数

续表2 发电机参数

表3 主变压器参数

5 谐波分析计算

根据谐波标准 IEEE 519—1992[1]，谐波电流含量标准如表4所示。

表4 IEEE 519—1992关于谐波电流畸变值的限制规定

表4中ISC为公共连接点的最大短路电流；IL为公共连接点的最大基波负荷电流；h为谐波次数；THD为电流的总畸变率。

由于海洋电力系统属于微电网系统，滤波器接入点的最大的短路电流与最大负荷电流的关系为：最大的短路电流ISClt;20倍最大基波负荷电流IL，故谐波电流的有限值应为5% 的基波电流以内。故取在基波电流的5% 以内的谐波电流值为符合要求的值。

基波电流IL=Irms/(1+THDi2)1/2,

(1)

式中：Irms为公共连接点电流有效值；THDi为谐波电流的总畸变率。

谐波电流IH=THDi×IL。

(2)

使用ETAP软件建立钻机电气系统模型并完成的谐波分析计算结果，结果表明母排LA段、LB段的谐波电流畸变率为30.01%。

6 计算结果

根据ETAP软件分析结果及公式(1)、公式(2)可以得到如下计算结果。

1)为顶驱供电的电缆处电流有效值Irms为 525.8 A，谐波电流畸变率THDi为30.01 %，则基波电流IL为：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=503.6 A。

谐波电流IH为：IH=IL×THDi=151.1 A。

根据IEEE 519—1992，限制电流为：IL×5%=25.2 A。

补偿电流为：I1=151.1-25.2=125.9 A。

2)为泥浆泵供电的电缆处电流有效值Irms为1 129 A，谐波电流畸变率THDi为30.01 %，则基波电流IL为：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=1 081.4 A。

谐波电流IH为：IH=IL×THDi=324.5 A。

根据IEEE 519—1992，限制电流为：IL×5%=54.1 A。

补偿电流为：I2=324.5-54.1=270.4 A。

3)为绞车供电的电缆处电流有效值Irms为453 A，谐波电流畸变率THDi为30.01%，则基波电流IL为：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=433.9 A。

谐波电流IH为：IH=IL×THDi=130.2 A。

根据IEEE519-1992，限制电流为：IL×5%=21.7 A。

补偿电流为：I3=130.2-21.7=108.5 A。

4)根据以上计算结果，总补偿电流为：

I=I1+I2+I3=125.9+270.4+108.5=504.8 A。

根据以上计算结果，考虑负载波动范围内谐波电流的波动，可对690 V母排进行600 A的电流补偿,考虑到电气设备维护的便利性，在690 V母排LA段和LB段各配置1台300 A的有源滤波器对谐波电流进行补偿，实现模块钻机电力系统有效的谐波治理。

本项目钻机2015年5月出海，经过陆地调试和海上调试，电气谐波在规范允许的范围内，预计2015年7月即可投入使用。

7 结束语

ETAP软件有丰富的谐波源库，海洋平台常用的变频器比如ABB,ROCKWELL等厂家变频器都可以在ETAP中找到相应的谐波源模型。由上可以看出，利用ETAP软件仿真手段，建立电气模型对谐波源谐波电流进行计算分析是十分快捷方便的，这为有源滤波器的快速选型打下了良好的基础。

[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，山东济宁人，工程师，大学本科，主要从事海洋工程电气设计工作。

2015-06-26