海洋平台钻机谐波治理方案研究

周超

摘 要：海洋平台作为一个区域电力系统，较陆上钻机受谐波的影响更为明显。同时，目前海上钻机大量使用变频器，也带来了严重的谐波污染，该文以海上某平台钻机电气系统为例，对比了谐波治理措施的作用机理和优缺点，从尺寸、占地面积、重量等方面对钻机谐波治理的3个方案进行了对比分析，最后对适用于海上平台钻机的谐波处理措施进行了推荐。

关键词：谐波 有源滤波 多脉动滤波

中图分类号：TM71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）04（b）-0052-06

近几年，由于谐波引起电容器过载损坏和变压器过热噪音等事故的发生，使得谐波治理成为钻井设施电力系统设计和维护工作者所必须考虑的一个新课题。目前对电力系统的研究集中在大的陆地电力系统上，通常是陆地上的技术成熟后才用在海洋平台上，以保证高的可靠性。但海上平台由于空间有限，而且平台造价十分昂贵，陆地上的一些技术并不能直接用在海洋平台上。同时，在陆地电力系统，谐波治理的研究通常是把电源看成无穷大电源，而在作为区域电力系统的海洋平台上，发电机不能看成无穷大电源，谐波对电站的稳定性运行有很大的影响[1]。

目前海上平台钻机普遍采用交流变频驱动的模式，这种模式在经济性和电功率容量等方面体现出了无可比拟的优越性[2]，变频器在大型钻机驱动中的大量应用，对提高产量、节约能源和提高自动化作业方面做出了巨大贡献，但同时也带来了严重的谐波污染，电子器件极易损坏[3]，成为了海上钻井设施电力系统中最主要的谐波电流源。

变频器输出侧PWM控制产生的输出电压和输出电流均有谐波，这是由于变频器中的逆变部分是通过高速半导体开关来产生一定宽度和极性的PWM控制信号，这种具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，尤其是输出电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰，严重地超出了电磁兼容性标准的极限值要求[4]。因此，海上钻井设施电力系统的谐波分析，以变频器作为系统的主要谐波电流源来进行分析研究。此外，变压器、不间断电源UPS、荧光灯以及电机软启动器均会带来一定的谐波干扰。

1 谐波分析基础

接下来以某海上钻机的电气系统为例进行分析，该电气传动系统主要由以下几部分构成。

A段：

电源输入1台4 000 kVA，35 kV/600 V变压器；

2台800 kW绞车交流变频电动机；

1台800 kW转盘交流变频电动机；

1台800 kW顶驱交流变频电动机；

1台1 000 kVA MCC配电变压器。

B段：

电源输入1台4 000 kVA，35 kV/600 V变压器；

4台600 kW泥浆泵交流变频电动机；

1台1 000 kVA MCC配电变压器。

2 谐波治理方案

2.1 多脉动滤波方案

系统采用4组12脉波变压器对整流进行滤波，此时能够满足滤波的要求；两段分别选择两组12脉波变压器互差15°以组成24脉波整流；整个系统与直流交流母排连通与否无关。采用24脉波整流，电压和电流谐波都能控制在5%以下（如图1，表1，表2所示）。

2.2 IGBT整流滤波方案

系统采用ISU（IGBT）整流单元以替代DSU（二极管）整流，THDi、THDu都能控制在2%～3%左右，满足谐波标准（见图2，表3，表4所示）。

2.3 有源滤波器方案

有源滤波器安装位置在谐波源附近，这样能够就近治理，因此，其接入点通常在整流柜旁（如图3所示）。

测量点应包括整个谐波源，比如：单线图中A段应将顶驱也包含在测量点内。由于有两路输入变压器，因此，将互感器安装在变压器出线端并不是最好选择，因为无法确定两组变压器的工作状态。如果同时检测两路变压器的电流参数，存在控制系统复杂的问题，而且MCC部分的谐波值很小，因此，将测量位置放置于整流侧同样是可以接受的方案（如图4，表5所示）。

有源滤波器滤波效率通常在97%，考虑在A段598A，B段520A以上的有源滤波器。

按每波次剩余10%谐波电流考虑，则滤波效果如表6所示。

有源滤波器安装使用灵活，能够根据实际使用情况增加容量而不影响到其他。如上面所进行分析，钻井实际工况中泥浆泵、绞车超过50%负荷的情况其实很少，即使单边只配置一半容量300 A有源滤波器，也能满足大部分情况下的谐波需求，如果以后需要加大容量也能够很简单的增加，而不影响到其他电气参数。

根据钻井工艺的固有特点，绞车负载电流变化大，如瞬间上提一下钻具，其负载电流从很低变到很高。而有源滤波器工作原理为检测测量点的谐波电流，然后输出一个反向谐波电流，因此，在冲击性负载时其效果并不是很理想，提高测量互感器的精度可以在一定程度上改善效果。

2.4 方案比较

通过前段的分析，3种滤波方案：有源滤波、24脉整流、IGBT整流都能够较好地满足谐波滤除的需要。

下面对几种方案进行各方面的对比，对于所有解决方案相同的部分如逆变器等，不列入对比表。

（1）配置如表7所示。

（2）尺寸如表8所示。

（3）重量如表9所示。

（4）对比如表10所示。

3 结论及建议

按照滤波效果，IGBT整流、24脉波整流、有源滤波几种方案都能较好地解决钻井过程中产生的谐波。

3.1 IGBT整流

按照效果来说，IGBT整流方案是最好的，同时具有很多的优点，如不受前端电网参数影响，对变化的负载能快速响应，占地面积小等。即使其顶驱滤波问题也较好解决，要么顶驱逆变直接由主IGBT整流单元供电，要么顶驱变频器也配置成IGBT整流或其他滤波方案。不过此方案成本最高。

3.2 多脉整流

24脉波整流同样能够很好的滤除谐波。虽然受到电网不平衡度及谐波制约，但是通常平台电网质量都较好，能够满足使用需要。

多脉整流一大缺点就是占地面积大、重量大，多台变压器需要在平台设计时考虑放置空间，此种方案成本超过有源滤波器方案。

3.3 有源滤波器

有源滤波器不受电网谐波影响，能够同时补偿谐波和无功等，其最大的优点是容量配置灵活，可根据实际情况配置容量以节省成本。比如：按照上述谐波数据分析，有源滤波器容量是按照最大谐波工况进行计算。实际上这些工况在多数时候是达不到的，即使一半容量的有源滤波器也能够满足大多数工况下的滤波需求。而其他几种方案在设计初期就必须配置足额的容量。

综上所述，推荐海上平台钻机在解決谐波问题时，主要考虑采用有源滤波器的方案，在平台空间和项目经济性允许的前提下，可考虑采用多脉波整流的方案。

参考文献

[1] 张奇志，李琳.电动钻机自动化技术[M].北京：石油工业出版社，2006.

[2] 刘爱明.直流电动钻机谐波治理与无功补偿[J].科技资讯，2011（34）：119-120.

[3] 张建，冉鹏，谭刚强，等.电驱动钻机控制系统的抗谐波干扰装置[J].石油机械，2002，30（1）：30-31.

[4] 林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：石油工业出版社，2006.