石油钻机专用有源滤波器的研制

李剑波，杜 朋

（西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710065）

石油钻机专用有源滤波器的研制

李剑波，杜 朋

（西安宝美电气工业有限公司，陕西西安710065）

目前，电动钻机以SCR电驱动系统和VFD电驱动系统为主。SCR电驱动系统和VFD电驱动系统均存在把交流电整流成直流电的整流变换过程。此过程将产生大量的5、7、11、13等次谐波，其被传输到柴油发电机组的小电网系统中（600V电网），会引起600V母线电压畸变。因此，有必要采取恰当的无功补偿及谐波抑制措施，在提高功率因数的同时还能对谐波进行有效治理。

钻机；有源滤波；谐波

1 引言

石油钻机电驱动系统在工作时，其所产生的谐波会对600V电网上的其他用电设备带来以下不良影响：电网电压波形会产生畸变，使供电质量下降；谐波电流引起无功功率增加，会降低功率因数；接在同一电网中的变压器、交流电机等损耗加大，会加速绝缘老化，还会使这些设备的振动和噪声增加；接在同一电网中的电力电容器可能由于谐波电流的放大而过电流；谐波可能会在公共电网中产生并联谐振，引起过电压而损坏电网中的其他用电设备。例如烧坏UPS电源等；谐波会影响仪表用互感器的检测精度；谐波对邻近的弱电系统（包括通信系统和电子设备）会产生干扰。

2 产品用途及说明

采用SCR变流技术的直流钻机，其负载为感性负载，在钻井过程中会产生较大的无功，可能会降低自备发电设备或电网供电设备的使用效率，并且可能会造成较大的电压波动，并产生大量的谐波，从而可能会给其它的用电设备带来危害。因此，有必要采取恰当的无功补偿和谐波抑制措施，使其在提高功率因数的同时还能对谐波进行治理。

解决电力电子装置产生谐波污染和解决低功率因数的问题，不外乎以下两种途径：一是对电力电子装置本身进行改造，减少其所产生的谐波含量。这种方法需要对现有的电力电子装置进行大规模更新，需要投入的成本较大，故有一定的局限性。二是向系统装设补偿装置（如滤波器等），设法对谐波进行抑制，这种方法可适用于各种谐波源设备。

传统的补偿谐波的主要手段是装设无源LC滤波器。这两种方法结构简单，一直被广泛应用。但这种方法存在的缺点是其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，且其只能补偿固定频率的谐波，难以对频率变化的谐波进行有效的动态补偿。随着电力系统的快速发展，对谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。

随着以IGBT为代表的全控型器件向大容量、高频化方向的不断发展，采用电力电子技术的各种谐波有源补偿装置快速发展。以有源电力滤波器（APF）为代表的有源补偿装置补偿谐波的基本原理如下：从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流中只含有基波分量。采用有源补偿装置补偿谐波的方法安全可靠，其具有很快的动态响应速度和很高的补偿精度。

3 主电路拓扑选择

本项目设计的APF额定工作电压为600V，额定电流为600A，要求装置补偿5、7、11、13次谐波，需要开关器件具有较高的开关频率以满足高次谐波的补偿。一般的电力电子开关器件随着容量的增大其所容许的开关频率将越来越低，所以在将APF用于大容量的谐波补偿时就面临开关器件频率与容量之间的矛盾。

解决上述矛盾有3种方案可供选择：一是采用多台独立的小容量APF并联使用；二是采用多重化的主电路实现大容量APF；三是采用小容量的开关器件并联使用，以降低每支开关管的实际容量，从而提高整个开关管的开关速度。

第一种方案简单易行，但成本较高，在经济上不合理，其结构图如图1所示。

第二种方案在满足容量要求的同时，还可以提高等效开关的频率，但其所需要的器件较多，其稳定性、可靠性难以保证，在油田配电系统等较恶劣的用电环境中并不适用。

图1 多机并联方案

图2 多重化主电路方案

第三种方案的主电路拓扑如图3所示，可以看出，这种方案的电路结构与小容量APF相同，其结构比较简单。其中的每个开关管均由多个小容量的开关管并联构成，以增大整体的容量。

图3 开关管并联方案

开关管并联方案的技术关键在于多管并联时管内、管外参数的对称性以及管间瞬态、稳态的一致性，这对器件的工艺及驱动设计提出了很高的要求。本文选用SKiiP2403GB172－4智能功率模块。该功率模块内部集成了多支IGBT以供并联，并集成了驱动电路、过流过温保护电路及故障信号输出接口等，并配备了光纤接口，具有较高的可靠性和实用性。

SKiiP功率模块的内部结构图如图4所示。整个模块由4个半桥模块在内部并联封装构成，以保证开关管可以驱动较大的等级电流。各半桥输出电流通过母线铜排从模块外部进行并接。所有IGBT由内部驱动电路统一驱动，控制模块具有较高的参数对称性和可靠性。

图4 SKiiP功率模块内部结构图

4 主电路参数设计

4.1 开关管IGBT选取

本项目设计的APF交流输出电流为600A，线电压为600V，故输出功率为：

因此，可将APF额定功率取为625kVA。

为了保证有源电力滤波器的补偿性能，满足输出电流对指令电流的跟踪效果，直流侧的电压应尽可能地取高，但考虑到功率器件的电压等级和直流侧电压会有波动，故本文选择直流母线电压为：

由于要求补偿谐波达到13次，为满足其补偿特性要求开关管具有相应的开关频率以满足快速跟踪性，选择开关频率为：

选用的开关管型号为SEMIKRON，智能功率模块为SKiiP2403GB172－4。在25℃环境温度下，标称值VCE＝1700V，IC＝2400A。在75℃环境温度下，IC＝1800A。

用该开关模块搭建如图5所示的三相逆变桥主电路结构，并用仿真软件SEMISEL对运行环境进行估算，仿真参数如表1所示，仿真结果如表2所示。

表1 仿真参数

图5 主电路结构

表2 仿真结果

如上述图表可知，单个模块总损耗为Ptot＝1676W，三相逆变电路额定工作状态下的总损耗为5028W。

SEMISEL同时给出了模块热特性的仿真结果。在使用PX16＿360系列散热片和280m3／h强制风冷条件下，额定工作的模块壳温TC＝82℃，IGBT结温Tj＝99℃，符合设计要求。 模块最高工作结温150℃，壳温过温保护阈值为110℃。

4.2 直流侧电容Cdc参数设计

负序电流和高次谐波电流在直流侧电容上造成的能量脉动以及因开关作用和有源电力滤波器交流电感储能而造成的能量脉动，都需要直流电容来缓冲。补偿负序电流时，直流侧电容的储存电能波动最为明显，因此可主要解决因负序电流而造成的能量脉动。

当三相电压不平衡时，由于负序分量的作用，并网逆变器直流母线侧电容上的能量将以2ω波动，则：

式中，Pn为负序分量对应功率，Vm为电网电压峰值，In为电网电流峰值，ω为电网角频率，φpn为初始相角，其对应的峰值能量波动为：

反映到直流母线侧电容上，则有：

式中，△Epp为直流母线电容上的能量波动，Cdc为直流母线电容，Vdc为直流母线电压，△Vdc为直流母线电压的波动值。

由上式可得直流母线电容值为：

在100%不平衡负载条件下，考虑50V的直流母线电压纹波，则电容值为：

用450V／15000μF的电解电容经4串5并后，便构成1800V／18750 μF的逆变器直流侧电容电路。

4.3 进线电感Lf、滤波电感Lg及滤波电容Cf参数设计

需从瞬态电流跟踪指标和抑制开关次谐波电流指标两个方面来考虑设计进线电感。从瞬态电流跟踪指标来看，在输出电流过零时，电流变化率最大，此时进线电感应该足够小，以满足快速跟踪电流的要求；另一方面，为抑制开关次谐波，所设计的进线电感应该足够大。

（1）为了满足快速电流跟踪，则应有：

式中：Vdc为直流侧电压，取值为1100V；Im为最大电流输出有效值，取值为600×125%＝750A；ω为谐波角频率，当补偿13次及以内的谐波时，取值为ω＝2π×650＝4084rad／s。经计算可得 L≤0.2394mH。

（2）LCL滤波器

与传统的L型和LC型滤波器相比，LCL型滤波器不仅可以减小滤波器的体积，还可降低成本，且其滤除高频噪声的能力更强，因此本文采用LCL滤波器。

忽略电感和电容的ESR及电容上串联的阻尼电阻Rf，则LCL滤波器的单相等效电路如图6所示。

图6 LCL滤波器单相等效电路

由磁性元件的伏秒平衡原理可得流过逆变器侧电感的纹波电流峰值为：

式中，△Ipp为APF侧电感纹波电流峰值，Lf为APF滤波电感，fs为APF开关频率，D为APF每一相对直流侧电容中点的占空比，则：

取电感纹波电流峰值为输出谐波电流的50%，则：

取Lf为0.2mH，由图6可知，LCL滤波器的传递函数为：

故：

电容上串入阻尼电阻Rd后，传递函数变为：

LCL谐振频率为：

阻尼系数为：

将谐振频率取为800Hz（补偿13次及以内谐波），取Lf为0.2mH，并经综合考虑，取 Lf＝0.2mH，取 Lg＝0.08mH，取 Cf＝1187μF，取 Rf＝5Ω。

5 可行性仿真验证

本文采用基于瞬时无功功率理论的ip、iq检测算法得到负载电流中的基波成分，从负载电流中减除这个基波成分即得到了其中的谐波成分，将其作为电流跟踪的指令，进而得到了逆变器的控制信号。其结构如图7所示

图7 检测算法框图

将计算多的数据带入，用图7所示算法在Matlab下进行可行性仿真，其结果如图8所示。

图8 仿真波形图

由图8可以看出，补偿系统达到了预期的补偿目的。对补偿前后电网电流波形进行FFT分析，其数据分析表如表3所示。由表3可以看出，项目要求的 5、7、11、13次谐波含量被明显补偿，THD 含量从26.28%降到了2.13%。

表3 补偿前后电网电流FFT分析

6 基本功能及性能指标

（1）功能

对于有较大波动性和冲击性的负荷，可减少其电压波动，抑制电压闪变，提高电压稳定性，并改善电压质量。能够充分发挥发电或供电设备的容量，降低配电网的线损，并有效消除电网的谐波。

（2）性能指标及可靠性

电网电压为600V，频率为50Hz，装机容量为2400kVar，可控补偿容量不小于1600kVar。具有动态补偿、过零投切、投切无冲击、无震荡、响应速度快（在10ms以内）等特点，能够满足功率变化快的要求。

7 创新性

（1）能够快速跟踪无功变化；

（2）能够自动调节并实现无人职守；

（3）具有故障自诊断功能，并能够将结果显示在屏幕上或通过串行口输出；

（4）具有远程监控功能。

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Research on special active filter for oil drilling rigs

LI Jian－bo，DU Peng
（Bomay Electric Industries Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

At present，the drive systems for the electric drilling rigs are mainly based on the SCR electric drive systems and the VFD electric drive systems.Both of the SCR electric drive system and the VFD electric drive system have the electricity－rectifying process from AC to DC transformation，which will produce a large number of 5，7，11 and 13 sub－harmonics.The sub－harmonics will be conveyed to the small power system （600V grid）of the diesel generator and cause the voltage distortion of the 600V bus.Therefore，the appropriate reactive power compensation and the harmonic suppression measures are taken to manage the harmonics and improve the power factor of the system.

drilling rig；active filter；harmonic

TP273；TM712

A

李剑波（1973－），男，工程师，主要从事电动钻机的电控设计工作。

2016－11－21

1005—7277（2017）02—0026—05