海洋石油模块钻机电力系统谐波分析与治理

胡泽刚

(中海石油 (中国)有限公司 深圳分公司，广东深圳 518067)

海洋石油模块钻机电力系统谐波分析与治理

胡泽刚

(中海石油 (中国)有限公司 深圳分公司，广东深圳 518067)

由于大功率电力电子元件的快速发展，变频调速在海洋石油工程中也开始成熟的应用，随之在海洋工程项目的设计中必须注意大功率电力电子器件应用所带来的谐波的影响。我们在设计过程中积累了一些关于谐波的实践经验，文章由海洋石油模块钻机系统谐波的产生及影响入手，对工程设计项目中谐波的治理方案进行分析和对比。

海洋石油模块钻机;交流变频系统;谐波畸变;滤波方案

海洋石油模块钻机是整个海上油田的一个比较大的用电单位，我国新建的海洋石油模块钻机都是采用交流变频驱动 (VFD)。VFD的控制性能是优越的，但是带来的谐波问题也不容忽视。在系统容量一定的前提下，模块钻机工作时这些大功率变频器会产生大量的谐波，对电网造成污染。整个电网的电能质量和用电安全会受到一定的影响。为保证钻机工作时系统能够安全稳定的运行，同时降低变频装置对电网的影响，需要对模块钻机工作时产生的谐波及其危害进行分析研究，从而确定模块钻机针对谐波问题的治理措施。

1 模块钻机谐波分析

1.1 谐波的产生

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。线性负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压之间存在着固定的相位差;而非线性负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真。谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性负荷时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些非线性负荷就成了电力系统的谐波源。

电力电子变换装置是目前主要的谐波。对于电力电子装置谐波源，人们一般将谐波源分为两类:电压型谐波源和电流型谐波源［1］。模块钻机上广泛应用属于电压源型变频器，其输入电路一侧是将交流电源转换为直流电源的整流电路。大功率二极管整流器装置是引起平台电网系统谐波畸变主要根源，它以产生5次、7次谐波最为显著，给平台电网造成严重污染。模块钻机的谐波源主要为绞车、转盘、顶驱和泥浆泵等大型钻机设备的变频器。而且钻井负载工况变化多样，产生各次谐波电流幅值变化也有所不同，属于波动变化的谐波。以海洋石油陆丰13－2模块钻机为例，电控系统采用17面西门子S120系列变频器柜和两套能耗制动暂波器，根据计算分析会产生大量的谐波，有3次、5次、7次、9次、11次及少量的高次谐波。

1.2 影响谐波畸变率的相关因素

对于海洋平台的小容量电力系统，谐波产生的干扰是不容忽视的。影响谐波畸变率的相关因素就是考虑的重点。由于变频装置存在内部阻抗，当变频器供电的电源容量越大，变频器输入电流的波形就越陡峭，而输入电压的波形畸变则越小;电源容量越小，则电流波形越平缓，而电压的波形畸变则越大［2］。谐波电流畸变率主要取决于交流驱动的整流方式及设备容量，谐波电压为谐波电流与系统阻抗之积。模块钻机系统主要包括5，7，11，13等多次谐波，总的电流畸变率THDi约为30%，总的电压畸变率THDu为15%左右。影响THDi或THDu的相关因素如表1所示［3］。

表1 影响电流畸变率或电压畸变率的相关因素

1.3 谐波产生的危害

模块钻机电力谐波的危害主要表现有以下几方面:对钻井电控系统的发、输、配电设备的增损耗，使设备过热，降低设备效率和利用率;导致电力系统的功率因数降低;电缆过热、绝缘老化加速、易损坏并导致线间短路和接地故障;变压器和马达的过热、甚至于烧毁;断路器及电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热、失灵、误动作、接地保护装置功能失常;通信与影像设备失误。此外，谐波还会造成测量和计量仪器的指示不准确，现已经成为当前海洋平台电力系统中影响电能质量的一大公害。

2 谐波抑制方式的选择

2.1 谐波源的优化

从源头入手，改善谐波源的特性，降低谐波源的谐波含量。即在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，具体方法主要有如下两点。

1)增加整流器的脉动数。整流器是电网中的主要谐波源，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如:整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5%，7次谐波电流下降到基波电流的3%。

2)新型的全IGBT整流可将功率因数提高到0.99，进而从根本上解决了谐波对电网回馈干扰的问题。使用IGBT整流技术的整流器利用高频切换脉宽调制电流可将输入谐波电流降至极低，达到正弦波式输入电流的目的，因此，IGBT整流技术具备降低谐波含量的功效。

2.2 增加滤波器方案

1)无源滤波器。无源滤波器是比较传统的方法，通过采用由一组或数组 LC单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器，它是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。该装置与谐波源并联，除起旁路滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要，其结构简单、成本低，但因其体积较大;滤波特性依赖于电源阻抗和补偿容量;低于最低调谐频率时，阻抗特性变坏;不能完全滤除非特征谐波(不同于滤波器调谐频率的谐波)。同时设计时需考虑多种因素而且调整不方便，可能导致串、并联谐振，因此这种方式不适用于工况复杂的系统。

2)有源电力滤波器。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器APF(Active Power Filter)。基本原理是从治理对象中检测出谐波电流，由滤波器产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量，这种滤波器能快速对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿，且滤波特性不受电网阻抗的影响，完全解决了无源滤波的所无法克服的一系列问题［4］。具体比较见表 2。

表2 有源滤波器与无源滤波器滤波方案的比较

续表2 有源滤波器与无源滤波器滤波方案的比较

2.3 工程应用实例

陆丰13－2模块钻机电控系统采用ABB公司PQFM－V2－M10型动态有源滤波器，开关器件为IGBT。其工作原理:系统通过实时检测负载电流中的谐波和无功分量，控制PWM变流器，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入交流600 V母排供电系统中，在有效的实现滤除谐波(达到95%以上)的同时，还可以实现动态补偿无功并抑制谐振、提高电站的功率因数，动态有源滤波器产生和系统谐波大小相等，相位相反的谐波注入到电网中，从而有效消除谐波，其滤波效果如图1和图2所示，图3为工程应用中实测情况。

图1 有源滤波器开启前电压、电流波形示意图

图2 有源滤波器开启后电压、电流波形示意图

由图3可见:滤波器投入前5次谐波电流:21.2 A;THDi 22.2%;滤波器投入前7次谐波电流17 A;THDi 22%;从滤波器投入前后现场谐波数据分析，谐波得到明显消除，数据如下，在滤波器投入运行前总畸变率为5.8%，在滤波器投入运行后总畸变率为4.0%。

图3 谐波电流及电压畸变率现场的实测情况图

从动态有源滤波投入后的测量结果上看，电压总谐波畸变率小于 ＜5%，系统谐波的治理效果满足规范要求。

通过以上的对比，可以知道与无源滤波器相比，有源滤波器具有以下一些优点:①可以对快速变化的谐波和无功进行实时补偿;②滤波特性与系统的阻抗无关;③不会导致谐振现象，无谐波放大的危险;④重量与体积较小。且随着技术的发展，增加有源滤波器已成为消除电网谐波的主要手段，尤其适用于谐波负荷变化较大的海上石油钻机系统。

3 结论

谐波的治理需要对模块钻机在各种工况下由钻机设备产生的谐波进行计算分析，得出钻机在最大工况下系统产生谐波的含量，经过与规范中的要求进行对比，超标的谐波含量作为谐波治理方案选择的依据。同时谐波治理方案还要考虑模块钻机的谐波是随着负载波动变化的。依据标准IEEE519－1992对普通低压配电网络电流畸变极限的要求，低压电网THD不超过5%。通过以上方案可知，IGBT整流方案和设置有源滤波器方案是比较理想的谐波治理方案，针对这两种方案的选择，就需要同时考虑具体项目的设备布置、电子元件散热、工程造价等因素确定适合的谐波治理方案。

［1］李达义，陈乔夫，贾正春.电力系统谐波源的种类和滤波方法综述 ［J］.电气传动，2005(12)，3－7.

［2］罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备 ［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［3］刘博.钻井电控系统中的谐波分析及治理 ［J］.电气时代，2007(11)，A22－A23.

［4］余颖，王新刚.海洋平台电力系统谐波分析及仿真研究［J］.石油机械，2006(12)，10－13.

Due to the rapid development of high power electronic components，and variable frequency speed regulation maturely applied in marine petroleum engineering，attention should be paid to harmonic influence in the application of high power electronic device in desigin of marine engineering project.We have accumulated some experience about harmonic，and based on the generation and impact of harmonic of offshore drilling rig system，we compare and analyze the control program of harmonic in the engineering project.

offshore modular drilling rig;variable frequency drive;harmonic distortion;filter scheme

TM714

C

1001－8328(2012)05－0049－03

胡泽刚 (1960-)，男，贵州普安人，高级工程师，大学本科，主要从事海洋石油钻机模块技术管理工作。

2012－06－06