石油鉆機VFD電驅系統諧波分析與抑制

黨存祿，張磊，鄢家財，尹曉霈

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

目前，我國在石油鉆采工程上大量使用電驅動鉆機，替代效率低下的機械鉆機，而石油鉆機系統一般都是應用于公共電網所不及的沙漠、海洋和陸地，其動力配備主要由柴油發電機組來提供［1］。晶閘管裝置和變頻器的存在使得石油鉆機電驅動系統含有大量的諧波，而工業區、輔助設備和生活樓照明需要良好的正弦波，所以對石油鉆機電驅動系統（小電網）的諧波進行分析和抑制顯得尤為重要，以便于提高小電網系統的電能質量。石油鉆機電驅動系統可分為SCR（直流）傳動系統和VFD（交流）傳動系統［2］，本文主要是針對VFD（交流）電驅動系統進行諧波分析。

1 VFD電驅動系統組成及工作原理

ZJ50DB石油鉆機電驅動系統的結構框圖如圖1所示，三相600V交流母線左側為系統的動力源，由4臺柴油發電機組并聯組成，600V交流母線右側為負載側，分別連接著7臺VFD變頻傳動控制系統，對應驅動鉆井設備（1＃泥漿泵、2＃泥漿泵、絞車和轉盤），還連接著1臺動力變壓器（600V／400V）為井場設備和照明設備供電。從圖1可以看出，由2臺變頻電動機（同軸連接）驅動的1＃泥漿泵、2＃泥漿泵和絞車，分別對應2臺VFD變頻傳動系統控制，2套變頻傳動系統采用主從控制方式，轉盤電動機由1臺VFD變頻傳動系統驅動。

VFD變頻控制系統是將小電網AC 600V交流電（正弦波）先用晶閘管或二極管整流成直流電，經大容量電容器濾波，再用電力電子器件IGBT完成逆變過程，得到AC 600V、頻率5～60Hz可調的交流電，驅動泥漿泵、絞車、轉盤和頂驅的交流變頻電機，滿足鉆井工藝要求的調速控制。

圖1 VFD電驅動控制系統框圖Fig.1 The block diagram of VFD electric drive system

2 VFD電驅動系統諧波分析

2.1 VFD系統諧波分析

在石油鉆機VFD電驅動系統中，大部分采用變頻器直接驅動鉆機設備的電動機，也有采用公共直流母線結構的，即通過多臺并聯的整流柜，產生直流電壓，再通過多臺逆變器分別驅動鉆機設備的電動機。無論哪種驅動方式，都有整流環節和逆變環節，也都將產生諧波，影響到600V電網的電源品質。

變頻器的主電路一般為交－直－交組成，通常三相工頻電源經三相橋式整流電路（不可控或可控）整流成直流電壓，經直流側大容量濾波電容器濾波及大功率開關元件IGBT逆變為頻率和電壓均可變的交流電源。

變頻器的輸入電路由二極管或晶閘管組成的全橋整流電路和濾波電容所組成，變頻器的網側輸入電壓波形基本上是正弦波，但輸入電流是脈沖式的充電電流，其波形如圖2所示。脈沖式電流波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，通常含有6n＋1（n＝l，2，3，…）次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。

變頻器輸入電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，如圖3實線所示；反之，當電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖3虛線所示。

圖2 變頻器的輸入電壓和電流波形Fig.2 The input voltage and current waveforms of converter

圖3 變頻器輸入電流波形Fig.3 The input current waveforms of converter

變頻器的逆變輸出電路中，輸出電壓和電流均有諧波。對于PWM控制的變頻器，只要是電壓型變頻器，不管是何種PWM控制，其輸出電壓波形為矩形波。其中諧波頻率的高低是與變頻器調制頻率有關，低調制頻率為1～2kHz，高調制頻率可達20kHz（如IGBT變頻器）。從電壓方波及電流正弦鋸齒波，用傅立葉級數不難分析出各次諧波的含量。所以，輸出回路電流信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波，而高次諧波電流對負載直接干擾。另外高次諧波電流還通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

無論是晶閘管整流器，還是變頻器，在實際運行中情況并不理想，換流電抗不等于零，換相角不等于零，輸出直流必然會有脈動，三相交流系統也很難完全對稱。因而諧波成分會更加復雜，電壓與電流波形發生畸變會更嚴重，此諧波注入電網必將對電氣設備造成危害。

石油鉆機有以下鉆井工況：正常鉆井、高壓大排量鉆井、起下管柱和倒滑眼。在這幾種工況下，多種鉆井設備聯合作業，如高壓大排量鉆井工況下，需要至少2臺泥漿泵高壓工作，轉盤或頂驅工作，絞車間斷工作，對應的多臺VFD變頻柜同時投入工作。對600V電源母排來說，同時存在多個諧波源，諧波污染的影響將更加嚴重。

2.2 實測諧波

石油鉆機VFD系統，在重載工況下，用示波器實測得到的600V母線電壓波形（受諧波污染）示于圖4。

圖4 VFD系統600V母線電壓波形Fig.4 The waveform of VFD system 600Vbus voltage

3 VFD電驅動系統諧波計算

3.1 多諧波源疊加問題

由圖1可知，石油鉆機VFD電驅動系統由4臺發電機組成，含有多個諧波源。這里就涉及到多個諧波源疊加的問題。

2個以上同次諧波電流疊加時，首先將2個諧波電流疊加，然后再與第3個電流疊加，以此類推。2個諧波源的同次諧波電流在一條線路上的同一相上疊加，當相位角已知時，總諧波電流（A）可按下式計算：

當2個諧波源的諧波電流間的相位角不確定時，總諧波電流可按下式計算：

其中，系數Kh的取值按表1選取。

表1 式（2）中系數Kh的選取Tab.1 The extract of the Khcoefficientin expression（2）

2個及2個以上諧波源在同一節點同一相上引起的同次諧波電壓疊加的公式和式（1）或式（2）類似。

3.2 倒滑眼鉆井工況諧波計算

下面以7000m鉆機為例，在倒滑眼鉆井工況下，計算諧波污染引起的600V母線上電壓畸變率的大小。

假定條件為：4臺柴油發電機組并網運行，并且負荷均衡分配；4臺CAT3512B機組構成的電站短路容量為11MV·A（根據短路電流計算求得）。

在倒滑眼鉆井工況下，2臺泥漿泵滿負荷運行，絞車（雙機）滿負荷運行，轉盤半負荷運行。絞車的電動機容量均為800kW／600V，額定電流為895A。泥漿泵、轉盤的電動機容量均為600kW／600V，額定電流為671A。

單臺泥漿泵由雙機驅動，負荷電流為2×671 A。每臺VFD變頻柜（800kW／690V）額定輸入電流為946A，額定輸出電流為860A。

絞車由雙機驅動，負荷電流為2×895A。每臺VFD變頻柜（1000kW／690V）額定輸入電流為1188A，額定輸出電流為1080A。

轉盤由單機驅動，半負荷運行電流為336A。VFD變頻柜（800kW／690V）額定輸入電流為946A，額定輸出電流為860A。

1）單臺泥漿泵運行時產生的諧波電流為

2）絞車運行時產生的諧波電流為

3）轉盤運行時產生的諧波電流為

4）多個諧波源合成的諧波電流為

先將2臺泥漿泵合成計算：

再將泥漿泵、絞車合成計算：

最后，將泥漿泵、絞車、轉盤合成計算：

5）計算各次諧波電流產生的諧波電壓為

6）總諧波電壓有效值為

7）總電壓畸變率為

3.3 計算結論

通過以上計算可知，石油鉆機電驅動系統在執行鉆井作業時，對600V電網（發電機組電站電網）帶來了較大的諧波污染，致使電網的電壓畸變率高達20%左右，嚴重地影響到電網上的其他用電設備。因此，必須進行諧波治理。

4 VFD系統的諧波治理

4.1 進線電抗器方案

晶閘管整流裝置為移相控制，運行時流過電網的電流為三角波（不連續）或饅頭波（連續），因此，在晶閘管系統增加輸入電抗器，以此來抑制晶閘管產生高次諧波對電源的污染，進而達到有效地改善電流波形，降低諧波電流的目的。本文VFD系統中，考慮到進線電抗器的體積，其短路阻抗按2%選取。圖5給出了加裝進線電抗器與否的600V電網電壓波形比較。

圖5 VFD系統電壓波形（電壓等級為600V）Fig.5 The waveforms of VFD system voltage

圖5a為帶進線電抗器、輸出電流為1080A時的系統電壓波形；圖5b為不帶進線電抗器、輸出電流為1450A時的電壓波形。由圖5可以看出，VFD系統由于整流裝置的存在其電壓波形發生了嚴重的畸變，但接入進線電抗器以后電壓波形變好。

4.2 有源濾波器諧波抑制方案

交流變頻傳動系統選用西門子全數字6SE71系列變頻柜。變頻系統共設7套變頻柜，分別驅動1＃和2＃泥漿泵、絞車和轉盤電動機，每套變頻柜包含進線、整流、逆變3大部分組成。VFD變頻驅動系統中的諧波有整流環節產生的，也有逆變環節產生的。整流環節產生的諧波主要是5次、7次、11次、13次等高次諧波；而通過PWM或SPWM調制的逆變環節，輸出的線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其等效后是連續的矩形波，三相的相電壓是階梯波，是非線性的，輸出的電流是近正弦波也含有豐富的諧波。針對VFD系統諧波復雜、功率因數高的特點，擬選用有源濾波器來抑制諧波，而無需設置無功補償裝置。

有源濾波器（APF）是電力電子器件（IGBT）、新型諧波檢測方法（瞬時無功功率法）和數據處理器（DSP）相結合的電力電子裝置，能夠高效地濾除諧波。目前，市場上供應的產品有輸出電流為100A和300A2種，根據濾除諧波電流的大小，可以選多個并聯運行。本次選擇了型號為PQFM，電流等級為300A的APF。APF系統與VFD系統連接示意圖如圖6所示。

圖6 APF系統與VFD系統連接的示意圖Fig.6 The connection schematic of APF and VFD

在VFD電驅動系統中，每一套交流變頻傳動系統是一個諧波源，電力變壓器和軟啟動器等也是諧波源，但相比較所產生的諧波量要比VFD諧波源產生的諧波量小得多，因此，在制定VFD系統諧波治理方案時，將變壓器和軟啟動器等產生的諧波予以忽略，只考慮VFD諧波源。

PQFM有源濾波器與VFD傳動系統的接線圖如圖7所示。

圖7 PQFM有源濾波器與VFD系統的接線圖Fig.7 The wiring diagram of PQFM APF and VFD

5 諧波抑制效果分析及結論

某工況下石油鉆機VFD變頻驅動系統配備諧波抑制環節后，對600V電網質量有較大的改善，通過濾波器投入前后的比較，說明電能質量得到明顯的改善，如圖8所示。

圖8 VFD系統采用APF濾波器前后的效果比較圖Fig.8 The effect share when APF is adopted in the VFD system

表2給出了濾波前后諧波和畸變的數據對比，說明本文所采用的方案諧波抑制效果良好。

表2 APF濾波器投運前后實錄數據對比表Tab.2 The share of measured dates when APF is adopted in the VFD system

本文詳細分析了石油鉆機VFD電驅動系統諧波產生的原因，給出了諧波計算的具體方法，并針對倒滑眼鉆井工況下的諧波進行了計算，最后給出了諧波治理方案。即采用APF抑制系統的諧波抑制方案和增加輸入電抗器的方案。

將兩者結合在一起達到了更好抑制諧波的目的。實際設計了這種裝置，實測波形顯示達到了提高石油鉆機VFD電驅動系統（小電網）電能質量的目的。通過使用前后的波形對比顯示了這種方法的優越性，具有十分重要的工程前景。

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