石油钻机VFD电驱系统谐波分析与抑制

党存禄，张磊，鄢家财，尹晓霈

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050）

目前，我国在石油钻采工程上大量使用电驱动钻机，替代效率低下的机械钻机，而石油钻机系统一般都是应用于公共电网所不及的沙漠、海洋和陆地，其动力配备主要由柴油发电机组来提供［1］。晶闸管装置和变频器的存在使得石油钻机电驱动系统含有大量的谐波，而工业区、辅助设备和生活楼照明需要良好的正弦波，所以对石油钻机电驱动系统（小电网）的谐波进行分析和抑制显得尤为重要，以便于提高小电网系统的电能质量。石油钻机电驱动系统可分为SCR（直流）传动系统和VFD（交流）传动系统［2］，本文主要是针对VFD（交流）电驱动系统进行谐波分析。

1 VFD电驱动系统组成及工作原理

ZJ50DB石油钻机电驱动系统的结构框图如图1所示，三相600V交流母线左侧为系统的动力源，由4台柴油发电机组并联组成，600V交流母线右侧为负载侧，分别连接着7台VFD变频传动控制系统，对应驱动钻井设备（1＃泥浆泵、2＃泥浆泵、绞车和转盘），还连接着1台动力变压器（600V／400V）为井场设备和照明设备供电。从图1可以看出，由2台变频电动机（同轴连接）驱动的1＃泥浆泵、2＃泥浆泵和绞车，分别对应2台VFD变频传动系统控制，2套变频传动系统采用主从控制方式，转盘电动机由1台VFD变频传动系统驱动。

VFD变频控制系统是将小电网AC 600V交流电（正弦波）先用晶闸管或二极管整流成直流电，经大容量电容器滤波，再用电力电子器件IGBT完成逆变过程，得到AC 600V、频率5～60Hz可调的交流电，驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱的交流变频电机，满足钻井工艺要求的调速控制。

图1 VFD电驱动控制系统框图Fig.1 The block diagram of VFD electric drive system

2 VFD电驱动系统谐波分析

2.1 VFD系统谐波分析

在石油钻机VFD电驱动系统中，大部分采用变频器直接驱动钻机设备的电动机，也有采用公共直流母线结构的，即通过多台并联的整流柜，产生直流电压，再通过多台逆变器分别驱动钻机设备的电动机。无论哪种驱动方式，都有整流环节和逆变环节，也都将产生谐波，影响到600V电网的电源品质。

变频器的主电路一般为交－直－交组成，通常三相工频电源经三相桥式整流电路（不可控或可控）整流成直流电压，经直流侧大容量滤波电容器滤波及大功率开关元件IGBT逆变为频率和电压均可变的交流电源。

变频器的输入电路由二极管或晶闸管组成的全桥整流电路和滤波电容所组成，变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波，但输入电流是脉冲式的充电电流，其波形如图2所示。脉冲式电流波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有6n＋1（n＝l，2，3，…）次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

变频器输入电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，如图3实线所示；反之，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形，如图3虚线所示。

图2 变频器的输入电压和电流波形Fig.2 The input voltage and current waveforms of converter

图3 变频器输入电流波形Fig.3 The input current waveforms of converter

变频器的逆变输出电路中，输出电压和电流均有谐波。对于PWM控制的变频器，只要是电压型变频器，不管是何种PWM控制，其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关，低调制频率为1～2kHz，高调制频率可达20kHz（如IGBT变频器）。从电压方波及电流正弦锯齿波，用傅立叶级数不难分析出各次谐波的含量。所以，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

无论是晶闸管整流器，还是变频器，在实际运行中情况并不理想，换流电抗不等于零，换相角不等于零，输出直流必然会有脉动，三相交流系统也很难完全对称。因而谐波成分会更加复杂，电压与电流波形发生畸变会更严重，此谐波注入电网必将对电气设备造成危害。

石油钻机有以下钻井工况：正常钻井、高压大排量钻井、起下管柱和倒滑眼。在这几种工况下，多种钻井设备联合作业，如高压大排量钻井工况下，需要至少2台泥浆泵高压工作，转盘或顶驱工作，绞车间断工作，对应的多台VFD变频柜同时投入工作。对600V电源母排来说，同时存在多个谐波源，谐波污染的影响将更加严重。

2.2 实测谐波

石油钻机VFD系统，在重载工况下，用示波器实测得到的600V母线电压波形（受谐波污染）示于图4。

图4 VFD系统600V母线电压波形Fig.4 The waveform of VFD system 600Vbus voltage

3 VFD电驱动系统谐波计算

3.1 多谐波源叠加问题

由图1可知，石油钻机VFD电驱动系统由4台发电机组成，含有多个谐波源。这里就涉及到多个谐波源叠加的问题。

2个以上同次谐波电流叠加时，首先将2个谐波电流叠加，然后再与第3个电流叠加，以此类推。2个谐波源的同次谐波电流在一条线路上的同一相上叠加，当相位角已知时，总谐波电流（A）可按下式计算：

当2个谐波源的谐波电流间的相位角不确定时，总谐波电流可按下式计算：

其中，系数Kh的取值按表1选取。

表1 式（2）中系数Kh的选取Tab.1 The extract of the Khcoefficientin expression（2）

2个及2个以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电压叠加的公式和式（1）或式（2）类似。

3.2 倒滑眼钻井工况谐波计算

下面以7000m钻机为例，在倒滑眼钻井工况下，计算谐波污染引起的600V母线上电压畸变率的大小。

假定条件为：4台柴油发电机组并网运行，并且负荷均衡分配；4台CAT3512B机组构成的电站短路容量为11MV·A（根据短路电流计算求得）。

在倒滑眼钻井工况下，2台泥浆泵满负荷运行，绞车（双机）满负荷运行，转盘半负荷运行。绞车的电动机容量均为800kW／600V，额定电流为895A。泥浆泵、转盘的电动机容量均为600kW／600V，额定电流为671A。

单台泥浆泵由双机驱动，负荷电流为2×671 A。每台VFD变频柜（800kW／690V）额定输入电流为946A，额定输出电流为860A。

绞车由双机驱动，负荷电流为2×895A。每台VFD变频柜（1000kW／690V）额定输入电流为1188A，额定输出电流为1080A。

转盘由单机驱动，半负荷运行电流为336A。VFD变频柜（800kW／690V）额定输入电流为946A，额定输出电流为860A。

1）单台泥浆泵运行时产生的谐波电流为

2）绞车运行时产生的谐波电流为

3）转盘运行时产生的谐波电流为

4）多个谐波源合成的谐波电流为

先将2台泥浆泵合成计算：

再将泥浆泵、绞车合成计算：

最后，将泥浆泵、绞车、转盘合成计算：

5）计算各次谐波电流产生的谐波电压为

6）总谐波电压有效值为

7）总电压畸变率为

3.3 计算结论

通过以上计算可知，石油钻机电驱动系统在执行钻井作业时，对600V电网（发电机组电站电网）带来了较大的谐波污染，致使电网的电压畸变率高达20%左右，严重地影响到电网上的其他用电设备。因此，必须进行谐波治理。

4 VFD系统的谐波治理

4.1 进线电抗器方案

晶闸管整流装置为移相控制，运行时流过电网的电流为三角波（不连续）或馒头波（连续），因此，在晶闸管系统增加输入电抗器，以此来抑制晶闸管产生高次谐波对电源的污染，进而达到有效地改善电流波形，降低谐波电流的目的。本文VFD系统中，考虑到进线电抗器的体积，其短路阻抗按2%选取。图5给出了加装进线电抗器与否的600V电网电压波形比较。

图5 VFD系统电压波形（电压等级为600V）Fig.5 The waveforms of VFD system voltage

图5a为带进线电抗器、输出电流为1080A时的系统电压波形；图5b为不带进线电抗器、输出电流为1450A时的电压波形。由图5可以看出，VFD系统由于整流装置的存在其电压波形发生了严重的畸变，但接入进线电抗器以后电压波形变好。

4.2 有源滤波器谐波抑制方案

交流变频传动系统选用西门子全数字6SE71系列变频柜。变频系统共设7套变频柜，分别驱动1＃和2＃泥浆泵、绞车和转盘电动机，每套变频柜包含进线、整流、逆变3大部分组成。VFD变频驱动系统中的谐波有整流环节产生的，也有逆变环节产生的。整流环节产生的谐波主要是5次、7次、11次、13次等高次谐波；而通过PWM或SPWM调制的逆变环节，输出的线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其等效后是连续的矩形波，三相的相电压是阶梯波，是非线性的，输出的电流是近正弦波也含有丰富的谐波。针对VFD系统谐波复杂、功率因数高的特点，拟选用有源滤波器来抑制谐波，而无需设置无功补偿装置。

有源滤波器（APF）是电力电子器件（IGBT）、新型谐波检测方法（瞬时无功功率法）和数据处理器（DSP）相结合的电力电子装置，能够高效地滤除谐波。目前，市场上供应的产品有输出电流为100A和300A2种，根据滤除谐波电流的大小，可以选多个并联运行。本次选择了型号为PQFM，电流等级为300A的APF。APF系统与VFD系统连接示意图如图6所示。

图6 APF系统与VFD系统连接的示意图Fig.6 The connection schematic of APF and VFD

在VFD电驱动系统中，每一套交流变频传动系统是一个谐波源，电力变压器和软启动器等也是谐波源，但相比较所产生的谐波量要比VFD谐波源产生的谐波量小得多，因此，在制定VFD系统谐波治理方案时，将变压器和软启动器等产生的谐波予以忽略，只考虑VFD谐波源。

PQFM有源滤波器与VFD传动系统的接线图如图7所示。

图7 PQFM有源滤波器与VFD系统的接线图Fig.7 The wiring diagram of PQFM APF and VFD

5 谐波抑制效果分析及结论

某工况下石油钻机VFD变频驱动系统配备谐波抑制环节后，对600V电网质量有较大的改善，通过滤波器投入前后的比较，说明电能质量得到明显的改善，如图8所示。

图8 VFD系统采用APF滤波器前后的效果比较图Fig.8 The effect share when APF is adopted in the VFD system

表2给出了滤波前后谐波和畸变的数据对比，说明本文所采用的方案谐波抑制效果良好。

表2 APF滤波器投运前后实录数据对比表Tab.2 The share of measured dates when APF is adopted in the VFD system

本文详细分析了石油钻机VFD电驱动系统谐波产生的原因，给出了谐波计算的具体方法，并针对倒滑眼钻井工况下的谐波进行了计算，最后给出了谐波治理方案。即采用APF抑制系统的谐波抑制方案和增加输入电抗器的方案。

将两者结合在一起达到了更好抑制谐波的目的。实际设计了这种装置，实测波形显示达到了提高石油钻机VFD电驱动系统（小电网）电能质量的目的。通过使用前后的波形对比显示了这种方法的优越性，具有十分重要的工程前景。

［1］李琳，邵小华，张奇志，等.电动钻机全数字电控系统发展现状与趋势［J］.石油机械，2006，34（8）：73－75.

［2］党存禄，鄢家财，宋文超，等.石油钻井机SCR系统谐波抑制与无功补偿［J］.电力电子技术，2010，44（10）：103－105.

［3］刘丽娜.石油电驱动钻机供电方式探析［J］.新西部，2008（11）：164－165.

［4］程浩忠，张志刚，朱子述.电能质量［M］.北京：清华大学出版社，2006.

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