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1、油田钻井用APF可行性报告本项目设计装置为有源电力滤波器（APF），用于治理石油钻机对配电网造成的谐波污染等电能质量问题，以期望提高用电环境的安全性和用户用电的经济性。1 项目背景介绍11.1 石油钻机电驱动系统的组成11.1.1 动力控制系统11.1.2 电气传动控制系统21.1.3 MCC控制系统41.2 石油钻机电驱动系统中谐波产生的原因及其危害51.2.1 谐波的产生51.2.2 谐波的危害51.3 谐波的治理方法61.3.1 两种解决途径61.3.2 谐波补偿技术的发展62 主电路拓扑选择83 主电路参数设计113.1 开关管（IGBT）选取113.2 直流侧电容Cdc参数设计133
2、.2 进线电感Lf，滤波电感Lg和滤波电容Cf参数设计144 可行性仿真验证175 项目整体进展计划196 主要参与人员情况211 项目背景介绍1.1 石油钻机电驱动系统的组成电驱动石油钻机电气传动控制系统大致由3部分组成：柴油发电机组或高压电网构成的动力系统(小电网系统)；直流调速或交流调速构成的泥浆泵、绞车、转盘、顶驱主设备传动控制系统；固控辅助电动机、照明、井场各区域供电等组成的MCC控制系统。这3个子系统构成了石油钻机的动力心脏，支撑着钻机可靠运转。下面分别对各部分进行简要介绍。1.1.1 动力控制系统动力控制系统包括由多台柴油发电机组成的动力系统和由高压电网构成的动力系统。1）由多台
3、柴油发电机组成的动力系统一套电动钻机的动力系统，由多台柴油发电机组组成，每台柴油发电机组又由柴油机、交流发电机及其控制系统组成。为了满足钻井工程供电的可靠性和经济性，电动钻机一般配置两台以上的柴油发电机组，发电机并网运行，通过发电机输出电缆、断路器连接到交流汇流母排，为钻井现场提供动力及照明电能。动力控制系统包括柴油机速度控制和发电机电压控制两大部分。为保证供电频率稳定和发电机有功功率的均衡分配，要对柴油机的燃油供应量进行控制(调速调频)；为保证发电机电压的稳定和无功功率的均衡分配，要对发电机的励磁电流进行控制(调磁调压)。除此之外，柴油发电机组可并网运行，并设置了多种必要的保护功能。通常，电
4、动钻机动力系统的电压等级为600V，频率50Hz(60Hz)，单机容量6001300kW，总装机容量5000kW左右，视在功率配备达到7500kVA。2）由高压电网构成的动力系统电动钻机在国家公共电网所覆盖的地区执行打井作业时，其动力系统的电源来自公共供电电网，这样可节约钻井的成本(与柴油发电机组的动力系统相比较，可节约钻井成本2030)。来自高压电网的石油钻机动力系统，其电压等级为10kV或6kV，一般用两台总容量达6000kVA的动力变压器将电压降到600V供钻井设备电驱动装置用电。系统设有继电保护，以保证供电安全可靠。1.1.2 电气传动控制系统电动钻机驱动系统是指绞车、转盘、泥浆泵和顶
5、驱等主要设备，由电动机驱动。主要包括SCR系统(直流调速传动控制系统)和VFD系统(交流调速传动控制系统)。1）SCR系统及其特点将AC600V电源输入传动柜中的SCR晶闸管整流组件，通过整流输出0750V直流电，驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱等设备的直流电动机，SCR控制系统由微处理器和大规模集成电路构成的全数字控制系统来完成。AC-SCR-DC驱动钻机的特点：直流电动机具有软工作特性，其工作转速根据钻井工艺需要和载荷变化进行无级调节，且调速范围广，一般调节范围为2.55.0；其超载荷适应性强，一般超载荷系数为1.62.5。起动与制动较平稳，允许频繁起动与制动，调节与使用均很方便，能够最大限度
6、地满足钻井工艺需要，适应性强。操作方便，变速快、时间短，具有较好的处理事故能力。利用动力制动，确保绞车刹车系统操作安全省力，减少事故，节约起下钻时间，适用于深井快速起下钻具。转盘工作转速可以进行无级调节，适用于精确处理打捞作业，能够较好地判断井下发生的各种事故。极大地简化了机械传动系统，提高了传动效率。能量从柴油机转轴传到绞车传动轴的传动效率为87.5，比机械驱动石油钻机传动效率提高12.5。采用电子调速器调节每台柴油机的使用性能，不仅使柴油机经常处于最佳状态运行，而且还使柴油机载荷变化状态同时受到电气控制系统的监控，使柴油机可以自动调节与分配载荷，从而可以防止冲击与过载，具有较好的运行经济性
7、。发电机组采用并联运行方式，提高功率利用率。在钻井作业过程中，延长了其使用寿命。动力使用和分配合理，机动性、灵活性好，可按实际需要来确定开动几台发电机组，不需要专门配备供照明和辅助设备用电的小型柴油发电机组，可以直接从公共母线中引出，通过变压器降压后直接供给交流电，所以设备投资减少。虽然一次性投资费用比机械驱动钻机高80左右，但是由于SCR系统使用经济，当钻机运行一段时间，其节约费用就可弥补多投资费用。在正常钻井和起下钻工况时，钻机噪音小、油污少，有利于提高操作可靠性。良好的设备配置及技术，提高了钻机运行可靠性。采用先进的柴油机电子调速器、全数字晶闸管整流装置、全数字变频调速传动装置、模块化的
8、MCC及配电控制系统、PLC监控和通讯系统，提高了钻井性能，扩大了使用功能，增强了经济性和可靠性。2）VFD系统及其特点将电网AC600V交流电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，得到电压和频率均可调的交流电，驱动泥浆泵、绞车、转盘和顶驱的交流变频电机。交流变频驱动钻机的特点：调速控制系统性能高；起动电流小、工作效率高、过载能力强；绞车可实现四象限运行；使用安全方便、噪音低、维护方便。1.1.3 MCC控制系统辅助设备，如泥浆循环系统中的混合泵、灌注泵、除砂器和除泥器、以及驱动电动机的冷却风机等，均由交流电动机驱动，其控制由交流电动机控制中
9、心(MCC)实现。MCC控制系统电源由600V400V电力变压器供电，或由应急发电机组直接提供380V电源，MCC系统完成交流电动机的启动操作，启动方式有直接启动、降压启动和软启动等。MCC系统多采用抽屉式结构，井场照明和其他生产、生活用电设备，也由交流电动机控制中心控制。1.2 石油钻机电驱动系统中谐波产生的原因及其危害1.2.1 谐波的产生正由于石油钻机SCR电驱动系统和VFD电驱动系统具备如上所述的优点，因此，在石油钻机装备中，这两种控制系统取得了长足的发展，并被广泛应用。但是，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、1
10、3等次谐波，并传输到柴油发电机组小电网系统中(600V电网)，并引起600V母线电压畸变。1.2.2 谐波的危害石油钻机电驱动系统工作时，产生的谐波将对600V电网上的其他用电设备带来不良影响： 使电网电压波形畸变，供电质量下降。 谐波电流引起无功功率增加，降低功率因数。 使接在同一电网中的变压器、交流电机等损耗加大，加速绝缘老化，还会使这些设备的振动和噪声增加。 使接在同一电网中的电力电容器可能由于对谐波电流的放大而过电流。 谐波可能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UPS电源经常烧坏。 谐波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
11、电子设备产生干扰。1.3 谐波的治理方法1.3.1 两种解决途径解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题，不外乎两种途径：一种是对电力电子装置本身进行改造，减少其产生的谐波含量。这种方法需要对现有电力电子装置进行大规模更新，投入成本较大，有一定的局限性。一种是装设补偿装置，如滤波器等，设法对谐波进行抑制。此种方法适用于各种谐波源设备。1.3.2 谐波补偿技术的发展传统的补偿谐波的主要手段是设置无源LC滤波器，这两种方法结构简单，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，它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
12、偿。而随着电力系统的发展，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有源补偿装置发展非常迅速。以有源电力滤波器(APF)为代表的有源补偿设备基本原理，是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大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。有源补偿设备安全、可靠，具有很快的动态响应速度和很高的补偿精度。2 主电路拓扑选择本项目设计APF额定工作电压为600V，额定电流为600A。装置要求补偿5、7、11、13次谐波，需要开关器件有较高的开关频率以满足高次谐波的补偿。由于装置输出电流较大，而
13、一般电力电子开关器件随着容量的增大其所容许的开关频率越来越低,所以在将APF用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。解决此矛盾有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；二是采用多重化主电路实现大容量APF；三是用小容量开关器件并联使用，降低每支开关管实际容量，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，经济上不合理，其结构如图2.1所示。图2.1 多机并联方案第二种方案在满足容量要求的同时,还可以提高等效开关频率，但所需的器件较多，稳定性、可靠性随之下降，在油田配电系统这种较恶劣的用电环境下并不适用。图2.2 多重化主电路方案第三种方案的主
14、电路拓扑如图2.3，可以看出这种方案的电路结构与小容量APF相同，比较简单。其中的每个开关管均由多个小容量开关管并联构成，以增大整体容量。图2.3 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，及管间瞬态、稳态的一致性，这对器件工艺，驱动设计提出了很高的要求。这里我们选用SEMIKRON公司的智能功率模块SKiiP2403GB172-4。这款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，并配备了光纤接口，具有较高的可靠性和实用性。SKiiP功率模块内部结构如图2-4所示，整个模块由4个半桥模块在内部并联封装构成，以
15、保证开关管可以驱动较大的电流等级，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由内部驱动电路进行统一驱动控制，具有较高的参数对称性和可靠性。图2-4 SKiiP功率模块内部结构3 主电路参数设计3.1 开关管（IGBT）选取本项目设计APF交流输出600A电流，线电压600V，故输出功率因此，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，直流侧电压应尽可能取高；但考虑到功率器件的电压等级和直流侧电压的波动，选择直流母线电压Udc=1100V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
16、性，选择开关频率为选用的开关管型号为SEMIKRON的智能功率模块SKiiP2403GB172-4，在25环境温度下，其标称，；在75环境温度下。用该开关模块搭建如图3-1所示三相逆变桥结构，并用SEMIKRON提供的仿真软件SEMISEL对运行环境进行估算，仿真所用数据如表3-1所示，仿真结果如图3-2所示。表3-1 仿真参数图3.1 主电路结构(a) 模块损耗(b) 运行温度 图 3.2 仿真结果如图所示，单个模块总损耗为Ptot=1676W，三相逆变电路额定工作状态下总损耗为5028W。SEMISEL同时给出了模块热特性的仿真结果，在使用SEMIKRON公司PX16_360系列散热片，2
17、80m3/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110。3.2 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造成的能量脉动，以及由于开关的作用和有源电力滤波器的交流电感储能造成的能量脉动，都需要直流电容来缓冲。补偿负序电流时，直流侧电容储存的电能波动最为明显，因此主要考虑由于负序电流造成的能量脉动。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能量将以2波动，则：式中： 负序分量对应功率； 电网电压峰值；电网电流峰值； 电网角频率；初始相角。其对应的峰值能量波动为：反映到
18、直流母线侧电容上则有：式中：直流母线电容能量波动； 直流母线电容； 直流母线电压；直流母线电压波动值。由式3-17、式3-18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，电容值为： 用日立450V/15000F的电解电容4串5并后，构成1800V/18750F的逆变器直流侧电容。3.2 进线电感Lf，滤波电感Lg和滤波电容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要求；另一方面，为抑制开关次谐波，进线电感应该足够大。
19、a为了满足快速电流跟踪，有：式中：为直流侧电压，取为1100V；为最大电流输出有效值，为600*125%=750A；为谐波角频率，本系统补偿13次及以内谐波，取为。计算可得 b LCL滤波器与传统的L型、LC型滤波器相比，LCL型滤波器不仅可以减小滤波器体积、降低成本，而且其滤除高频噪声的能力更强，因此本文系统采用LCL滤波器。忽略电感、电容的ESR和电容上串联的阻尼电阻Rf，LCL滤波器单相等效电路如下图所示。图3.3 LCL滤波器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峰值为： (1)式中：为APF侧电感纹波电流峰峰值；为APF滤波电感；为APF开关频率；为APF每一相对直
20、流侧电容中点占空比。 (2)取电感纹波电流峰峰值为输出谐波电流的50%，则：由极大值原理可知，当时，取得最大值。将Vdc=1100V，代入式(1)得到逆变器侧电感值为：Lf=0.0733mH取为0.2mH。由图3.3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），已取为0.2mH，综合考虑，取4 可行性仿真验证本项目采用基于瞬时无功功率理论的、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的到了其中的谐波成分，作为电流跟踪的指令，进而得到逆变器的控制信号。其结构如图4.1所示
21、图4.1 检测算法框图将计算多的数据带入，用图4.1所示算法在MATLAB下进行可行性仿真，其结果如图4.2所示。图4.2 仿真波形(从上到下依次为电网电压、补偿后网侧电流、补偿前负载电流、输出电流和直流侧电压)由图4.2可以看出补偿系统达到了预期补偿目的，对补偿前后电网电流波形进行FFT分析，数据如表4.1所示。表4.1 补偿前后电网电流FFT分析补偿前 补偿后 (THD) = 26.28% 250 Hz (h5): 142.47 A 350 Hz (h7): 63.27 A 550 Hz (h11): 48.72 A 650 Hz (h13): 25.36 A (THD) = 2.13%
22、250 Hz (h5): 5.99 A 350 Hz (h7): 7.72 A 550 Hz (h11): 5.89 A 650 Hz (h13): 3.26 A由表4.1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%。5 项目整体进展计划2009-12.712.27关于石油钻机的前期调研，根据石油钻机的负载特性，以及技术协议要求，确定石油钻机专用APF主体设计方案，包括主电路方案选取、功率器件选择及主电路参数设计，并通过原理分析及仿真给出初步结论，撰写可行性分析报告。2009-12.282010-2.13控制系统及通信系统设计，包括：主控制
23、板、采样、驱动、保护等环节具体功能电路的设计确定，完成各功能板器件采购及制作；触摸屏等通讯设施的选型及采购，并进行初步硬件调试。同时开始编写相应软件程序。主电路相关元器件型号选择，安排主电路制作相关事宜，并开始加工制作。2010-2.142010-3.31完成控制和通信系统程序的编写及功能性调试，如谐波检测算法等，并进行联调。完成主电路加工制作。2010-4.12010-4.30控制和通信系统的在线联调，整套装置的功能性验证。包括控制系统参数整定，稳压试验，谐波检测算法及补偿效果的实际验证，人机界面及通讯的正常运行等。2010-5.12010-5.31整套装置的功率试验并验收，包括对控制系统及功率部分进行出厂全电压、满电流的试验；IGBT温升、损耗、耐压、噪声测试。6 主要参与人员情况姓名性别职务主要负责工作卓放男教师系统整体方案裴云庆男教师系统整体方案王跃男教师系统整体方案王先为男博士生关键控制技术及算法易皓男博士生关键控制技术及算法孙昕昕男硕士生主电路硬件设计熊连松男硕士生主电路硬件设计杨美娟女硕士生通讯系统设计朱一昕男硕士生通讯系统设计孟良男硕士生控制系统及软件设计罗珊珊女硕士生控制系统及软件设计
