海洋平臺鉆機諧波治理方案研究

周超

摘 要：海洋平臺作為一個區域電力系統，較陸上鉆機受諧波的影響更為明顯。同時，目前海上鉆機大量使用變頻器，也帶來了嚴重的諧波污染，該文以海上某平臺鉆機電氣系統為例，對比了諧波治理措施的作用機理和優缺點，從尺寸、占地面積、重量等方面對鉆機諧波治理的3個方案進行了對比分析，最后對適用于海上平臺鉆機的諧波處理措施進行了推薦。

關鍵詞：諧波 有源濾波 多脈動濾波

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0052-06

近幾年，由于諧波引起電容器過載損壞和變壓器過熱噪音等事故的發生，使得諧波治理成為鉆井設施電力系統設計和維護工作者所必須考慮的一個新課題。目前對電力系統的研究集中在大的陸地電力系統上，通常是陸地上的技術成熟后才用在海洋平臺上，以保證高的可靠性。但海上平臺由于空間有限，而且平臺造價十分昂貴，陸地上的一些技術并不能直接用在海洋平臺上。同時，在陸地電力系統，諧波治理的研究通常是把電源看成無窮大電源，而在作為區域電力系統的海洋平臺上，發電機不能看成無窮大電源，諧波對電站的穩定性運行有很大的影響[1]。

目前海上平臺鉆機普遍采用交流變頻驅動的模式，這種模式在經濟性和電功率容量等方面體現出了無可比擬的優越性[2]，變頻器在大型鉆機驅動中的大量應用，對提高產量、節約能源和提高自動化作業方面做出了巨大貢獻，但同時也帶來了嚴重的諧波污染，電子器件極易損壞[3]，成為了海上鉆井設施電力系統中最主要的諧波電流源。

變頻器輸出側PWM控制產生的輸出電壓和輸出電流均有諧波，這是由于變頻器中的逆變部分是通過高速半導體開關來產生一定寬度和極性的PWM控制信號，這種具有陡變沿的脈沖信號會產生很強的電磁干擾，尤其是輸出電流，它們將以各種方式把自己的能量傳播出去，形成對其他設備的干擾，嚴重地超出了電磁兼容性標準的極限值要求[4]。因此，海上鉆井設施電力系統的諧波分析，以變頻器作為系統的主要諧波電流源來進行分析研究。此外，變壓器、不間斷電源UPS、熒光燈以及電機軟啟動器均會帶來一定的諧波干擾。

1 諧波分析基礎

接下來以某海上鉆機的電氣系統為例進行分析，該電氣傳動系統主要由以下幾部分構成。

A段：

電源輸入1臺4 000 kVA，35 kV/600 V變壓器；

2臺800 kW絞車交流變頻電動機；

1臺800 kW轉盤交流變頻電動機；

1臺800 kW頂驅交流變頻電動機；

1臺1 000 kVA MCC配電變壓器。

B段：

電源輸入1臺4 000 kVA，35 kV/600 V變壓器；

4臺600 kW泥漿泵交流變頻電動機；

1臺1 000 kVA MCC配電變壓器。

2 諧波治理方案

2.1 多脈動濾波方案

系統采用4組12脈波變壓器對整流進行濾波，此時能夠滿足濾波的要求；兩段分別選擇兩組12脈波變壓器互差15°以組成24脈波整流；整個系統與直流交流母排連通與否無關。采用24脈波整流，電壓和電流諧波都能控制在5%以下（如圖1，表1，表2所示）。

2.2 IGBT整流濾波方案

系統采用ISU（IGBT）整流單元以替代DSU（二極管）整流，THDi、THDu都能控制在2%～3%左右，滿足諧波標準（見圖2，表3，表4所示）。

2.3 有源濾波器方案

有源濾波器安裝位置在諧波源附近，這樣能夠就近治理，因此，其接入點通常在整流柜旁（如圖3所示）。

測量點應包括整個諧波源，比如：單線圖中A段應將頂驅也包含在測量點內。由于有兩路輸入變壓器，因此，將互感器安裝在變壓器出線端并不是最好選擇，因為無法確定兩組變壓器的工作狀態。如果同時檢測兩路變壓器的電流參數，存在控制系統復雜的問題，而且MCC部分的諧波值很小，因此，將測量位置放置于整流側同樣是可以接受的方案（如圖4，表5所示）。

有源濾波器濾波效率通常在97%，考慮在A段598A，B段520A以上的有源濾波器。

按每波次剩余10%諧波電流考慮，則濾波效果如表6所示。

有源濾波器安裝使用靈活，能夠根據實際使用情況增加容量而不影響到其他。如上面所進行分析，鉆井實際工況中泥漿泵、絞車超過50%負荷的情況其實很少，即使單邊只配置一半容量300 A有源濾波器，也能滿足大部分情況下的諧波需求，如果以后需要加大容量也能夠很簡單的增加，而不影響到其他電氣參數。

根據鉆井工藝的固有特點，絞車負載電流變化大，如瞬間上提一下鉆具，其負載電流從很低變到很高。而有源濾波器工作原理為檢測測量點的諧波電流，然后輸出一個反向諧波電流，因此，在沖擊性負載時其效果并不是很理想，提高測量互感器的精度可以在一定程度上改善效果。

2.4 方案比較

通過前段的分析，3種濾波方案：有源濾波、24脈整流、IGBT整流都能夠較好地滿足諧波濾除的需要。

下面對幾種方案進行各方面的對比，對于所有解決方案相同的部分如逆變器等，不列入對比表。

（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）對比如表10所示。

3 結論及建議

按照濾波效果，IGBT整流、24脈波整流、有源濾波幾種方案都能較好地解決鉆井過程中產生的諧波。

3.1 IGBT整流

按照效果來說，IGBT整流方案是最好的，同時具有很多的優點，如不受前端電網參數影響，對變化的負載能快速響應，占地面積小等。即使其頂驅濾波問題也較好解決，要么頂驅逆變直接由主IGBT整流單元供電，要么頂驅變頻器也配置成IGBT整流或其他濾波方案。不過此方案成本最高。

3.2 多脈整流

24脈波整流同樣能夠很好的濾除諧波。雖然受到電網不平衡度及諧波制約，但是通常平臺電網質量都較好，能夠滿足使用需要。

多脈整流一大缺點就是占地面積大、重量大，多臺變壓器需要在平臺設計時考慮放置空間，此種方案成本超過有源濾波器方案。

3.3 有源濾波器

有源濾波器不受電網諧波影響，能夠同時補償諧波和無功等，其最大的優點是容量配置靈活，可根據實際情況配置容量以節省成本。比如：按照上述諧波數據分析，有源濾波器容量是按照最大諧波工況進行計算。實際上這些工況在多數時候是達不到的，即使一半容量的有源濾波器也能夠滿足大多數工況下的濾波需求。而其他幾種方案在設計初期就必須配置足額的容量。

綜上所述，推薦海上平臺鉆機在解決諧波問題時，主要考慮采用有源濾波器的方案，在平臺空間和項目經濟性允許的前提下，可考慮采用多脈波整流的方案。

參考文獻

[1] 張奇志，李琳.電動鉆機自動化技術[M].北京：石油工業出版社，2006.

[2] 劉愛明.直流電動鉆機諧波治理與無功補償[J].科技資訊，2011（34）：119-120.

[3] 張建，冉鵬，譚剛強，等.電驅動鉆機控制系統的抗諧波干擾裝置[J].石油機械，2002，30（1）：30-31.

[4] 林海雪，孫樹勤.電力網中的諧波[M].北京：石油工業出版社，2006.