石油钻机SCR电驱动系统谐波分析与抑制.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 石 油机械 CHI NA P ETR0L EUM MAC HI NERY 一6 5 一 应用技术 石油钻机 S C R电驱动 系统谐波分析 与抑制 党存禄 鄢家财 缑建平 张晓英 1 ．兰州理工大学电气工程与信息工程学院2 ．北京四利通控制技术有限公 司 摘要 针对石油钻机 S C R电驱动系统产生的谐波、谐波源在 6 0 0 V母排上 的分布 以及 引起 的 电网电压波形畸变等问题 ，提 出对每 1台 S C R波动系统配套 1台 A P F装置 的谐波抑制方案和增加 进线电抗器 的方案，并将两者结合在一起达到更好抑制谐 波的 目的。实际设计的这种装置，实测 波形显示达到 了提高小电网电能质量的 目的。 关键词 钻机S C R电驱动系统整流装置谐波分析谐波抑制 近年来 ，随着有源电力滤波器的产生与应用 ， 对 电网谐波的抑制和滤除取得突破性的进展 ，但这 些基本上都是 针对公用 电网 大 电网 系统 的。 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 般都应用在公共电网所不及的海洋 、沙漠和陆地等 场合 ，其动 力源 由多 台柴 油发 电机组来 提 供 ] ， 构成独立小容量交流电网 小电网 。钻机电驱动 系统中，整流装置的存在使得钻机 6 0 0 V电网中含 有大量谐波，电压波形畸变，严重影响在网的其他 辅助设备运行 ，因此对小电网供电的钻机电驱动系 统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 j 。石油 钻机电驱动系 统分为 S C R直流传动系统和 V D F交流变频传动系 统，笔者以中海油某钻井平 台 Z J S O D钻机 S C R直 流电驱动系统 简称 S C R系统 为例，进行谐 波 分析与抑制措施的研究 。 1 S C R系统组成及工作原理 S C R系统 由发 电部分 、S C R传 动部分 、自动 化与现场总线部分 、动力变压器与辅助设备配电系 统 、生活楼照明和配电部分等构成，其工作原理是 多台柴油发 电机组发 出 A C 6 0 0 V三相交 流 电源 ， 经过三相全控桥式整流 电路变换为电压可调的直流 电，控制直流电动机 他励或 串励 的转速和转 矩 ，以满足钻井工艺要求的调速控制。S C R系统单 线图如图 1 所示。 柴油机 目AC 发电机 柴油机 目A C发电机 柴油机 目AC 发电机 柴油机 目AC 发电机 3 AC6 0 0 V M P1 A 交流 电r _ D 泵 Ll C电动机 I De 电动机I 旦 2 钻 井泵 DC 电动机I De 电动机I DWB 绞车 图 1 S C R系统单线图 S C R系统 中，发电部分采用 4台 C A T 3 5 1 2 B柴 油发 电机组及其控制系统发 出 6 0 0 V、6 0 H z交流 电，作为模块钻机的主电站 ，4套发 电系统可根据 平台和钻井载荷变化情况 ，或单 台、或 2台、或 3 台 、或 4台长期并联使用。钻井设备 的 S C R传动 部分采用全数字直流调速整流装置 ，按照钻井工艺 要求实现直流电动机的转速和转矩控制，4套大容 量整流柜分别控制 1～ 2 钻井泵 、绞车和转盘的 7 台电动机 。1 2 钻井泵和绞车各 由 2台电动机驱 动 ，同轴刚性连接。由于 S C R系统中整流电路为 相控方式 ，流过 电网 的电流为三 角波 不连续 或馒头波 连续 ，导致电网侧谐 波电流增加 ，引 起 6 0 0 V电网电压畸变 ，尤其是钻井绞车在起下钻 工况时，频繁地以最大电流启动 ，对小电网系统冲 击较大 ，引起 的谐波电流变化也较大，因此需要采 取谐波抑制措施来抑制谐波。 一 一 1j一 3 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8 巷第 1 1 期 2 S C R系统谐波分析 2 ． 1 S C R系统谐波分析 可控硅整流装置采用移相控制，从 6 0 0 V电网 吸收的是缺角的正弦波，给电网留下的是另一部分 缺角的正弦波 ，显然在留下部分中含有大量的谐波。 由图 l 可以看出，4台可控硅整流装置是 S C R系统 的主要谐波源。从理论上分析 ，理想 的 相全控桥 式整流 器 网侧 谐 波 电流 次 数 h 6 k1 为 正 整 数 ，即网侧谐波电流的次数为 5 、 7 、1 l 、1 3 ⋯。 钻井设备 中，2台 F一1 6 0 0钻井泵工作在恒转 矩段，泵冲次和泵压随钻井工况的不 同而改变，但 变化相对比较平缓 ；转盘也工作在恒转矩段 ，正常 钻进时转盘转矩变化不大；而绞车在起下钻具或接 钻杆时，通常 以最大 电流启 动 司钻] _ 踩脚 踏开 关 ，频繁地从空载到满载变化 ，对小电网供电系统 冲击很大 ，导致 6 0 0 V电网电压波动。另外，绞车 在倒滑眼工况时，带动钻具在井内上下移动，此时 S C R传动系统工作在低速、大载荷状态 ，也就是整 流电路处于深控状态 ，将产生较大的谐波 电流和吸 收较大的无功功率，使 6 0 0 V电网的平均功率 因数 降至 0 ． 4左有。冈2给出了 S C R系统在钻井设备载 荷变化时，通过示波器观察 6 0 0 V电网电压的波形。 囡 一 一 一 一 c电流减小到5 0 0A 图2 负载 变化 时母线电压波形变化 图 由冈可 见，载 荷越 大 ，电压 波形 畸 变得 越 严 重 。 2 ． 2 谐波计算分析 每一 台大容量整流装置是 1个谐波源 ，从 图 1 可知 ，4台可控硅整流装置是 4个谐波源 ，对 6 0 0 V电网来说 ，S C R系统是多谐波源系统。多个谐波 源合成的谐波电流计算方法 首先将 2个谐波电流 叠加，然后将计算结果再与第 3个电流叠加 ，以此 类推，直至计算 出多个谐波源合成的谐波电流值。 2个谐波 电流叠 加计算公式 为l h K ， M I h ，其中 h代表谐波次数 ， 、 代表 支路与 支路的第 h次谐波电流 ，式 中系数 K 的 取值按表 1选取。 表 1 计算公式中系数 K 的选取 下面以 Z J 5 0 D钻机在高压大排量钻进工况为 例 ，来计算谐波电流对小电网的影响。 假定 台柴油发电机组并网运行，并且载 荷均衡分配；②4台 C A T 3 5 1 2 B机组构成的小 电网 短路容量为 1 l M V A 根据短路 电流计算求得 ， 机组等效阻抗为 8 ． 1 7 5 m Q。 在高压大排量钻井_ [ 况下 ，2台钻井泵满载荷 运行 ，泵冲次为 1 0 0 m i n ～，泵压为 2 1 MP a ，钻井 泵 S C R传 动柜交 流侧 电流为 1 8 7 7 A；绞车 双 机半载荷运行 ，绞 车 S C R传动柜交流侧 电流为 9 3 8 A；转盘半载荷运行 ，转盘 S C R传动柜交流侧 电流为 4 6 9 A。多谐波源合成后的谐波电流 、谐波 电压如表 2所示 。电压畸变率为 2 1 ． 9 ％。 表 2 多谐波源合成后 的谐 波电流 、谐波 电压 2 ． 3 谐 波 实测 在高压大排量钻井工况下 ，用谐波分析仪实测 的 S C R系统谐波和 6 0 0 V电压波形如 图 3所示 ， 电压出现间歇性缺角。 抖 月 R 加 H I C S 珀 B L ￡ K T 啪 H 3 I I5 H 7 H 9 Ⅲf H l 3 H 1 5 0 9 门2 ， 呻 6 O 0 0 2 4 R 日 B c 嚣 2 口 ．4 己 0 ．4 己 0 5 0 _ 1 口 ． 1 0 ． I I 1 ．3 I 1 ．已 ．3 7 ．5 7 ．7 7 ．7 0 ． 1 0 ．1 n ． I 8 ．0 7 ．9 0 6 6 B 6 丑 口I 口 ． 1 0 _己 1 7 1 7 6 蛸U 5 O Hz 3 耵 I T ， 岫 n2 ， 睢I 7 辅 4 | 9 5 U 轴H z 3 盯 I T S O l 0 图 3 S C R电驱动 系统谐波 实测 图 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 党存禄等 石油钻机 S C R电驱动 系统谐波分析 与抑 制 从图 3可以看出，在此工作时刻 ，6 0 0 V电网 的电压畸变率达到 2 0 ． 4 ％ ，与计算结果吻合 。 3 方案选 择 3 ． 1 进线电抗器方案 可控硅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，加装进线 电抗器，可以有效地改善 电流波形 ， 降低谐波电流。S C R系统中，考虑到进线电抗器 的 体积，其短路阻抗按 2 ％选取。图 4给 出了加装进 线 电抗器与否的 6 0 0 V电网电压波形比较。 一 一 a带进线电抗器 b不带进线电抗器 4 S CR 系统 电压 波 形 比较 图 4 a为带进线电抗器 ，S C R传动柜输 出电流 为 1 0 8 0 A；图 4 b为不带进线电抗器 ，S C R传动柜 输 出电流为 l 4 5 0 A。 由图可以看 出，S C R系统整流装置加装进线电 抗器，电网电压波形有明显的改善。 3 ． 2 有源滤波器方案 有源滤 波 器 A P F是 电力 电 子器 件 I G B T 、新型谐波检测方法 瞬时无功功率法 和数 据处理器 D S P 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 1 0 0和 3 0 0 A的2种，根据滤除谐波电流 的大小 ，可以选多个并联运行。 S C R系统中，4个谐波源分布在 6 0 0 V电网母 排的不同位置，并且每个谐波源所产生的谐波电流 比较大 ，可以采取集中补偿和分散补偿 的办法来抑 制谐波。 集中补偿 ①选用 1个 A P F基本单元 和多个 A P F扩展单元并联输出，满足谐波总量的抑制，体 积相对 比较大；②需要设计一个谐波合成环节 ，来 计算出总的谐波电流 ，此环节性能的好坏 ，直接影 响到谐波抑制的效果 ；③ 电流互感器 C T 的 接线比较长，也影响谐波抑制的效果。图5为按总 谐波电流配置的 A P F系统示意图。 分散补偿 1个谐波源选配 1台 A P F ，A P F与 谐波源联动工作 ，A P F的安装和电流互感器 的接线 等都 比较好实施。这样就很好地解决 了集中补偿所 带来的问题 ，取得了较好的谐波抑制效果 。系统配 置 图如 图 6所 示 。 3 AC6 0 0V交 流 电 MP1 A 。 。 需 CT 3 1 钻井 泵 1旦 鱼垫垫I M P 2 A S CR 。 2 钻井泵 丛￡ 2 旦口 2 钻井泵 里 皇 垫I U w ADW A 绞 车 旦 皇 垫l 转盘 RT 井场设 备与 照明 图 5 按 总谐 波电流 配置 的 A P F系统示意 图 写 冈 S C R 2 9 上 一 垒 DC 电动机 l M P 1 B l 1 钻 井 泵 DC 电动机 I ￡ 2 △ DC 电动机 l M P 2 B I 1 钻 井泵 DC 电动机 l 1 D C 电 动机 l D W B 『 I 绞 车 { DC 电动机 I _ 『 一 转 盘 1 250 kVA 2． 井场设 备与 照明 图6 A P F系统与 S C R系统连接示意图 4 谐 波抑制效果分析及经济效益分析 4 ． 1 谐波抑制效果分析 在海洋平 台模块钻机 S C R系统 中，配备上述 方案设计的谐波抑制装置后 ，6 0 0 V电网的电压波 形有较大的改善。图 7给出了 A P F装置投入前后 ， 6 0 0 V电 网电压波 形 的 比较 。 4 ． 2 经济效益分析 海洋平台模块钻机 S C R系统装 置，正常作业 时 ，月平均耗油量为 1 2 0 t ，加装谐波抑制装置后 ， N { k O 挪 { 一 6 ， j一 回 基 元一 一基元 一 6 8一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 1 期 月平均耗油量降到 8 3 t ，按市场价 7 0 0 0元／ t 计算 ， 每月节约燃油 2 5 ． 9万元。由此可见 ，S C R系统 每 年可节约燃油费用 2 0 0余万元。 a 投 入运 行前 b投 入运 行后 图 7 谐波抑制装置投入前后 波形对比 5 结束语 针对石 油钻机 S C R 电驱动系统 产生 的谐波 、 谐波源在 6 0 0 V母排上的分布 以及引起的电网电压 波形畸变等问题 ，提 出对每一 台 S C R传动系统配 套 1台 A P F装置 的谐波抑制方案 ，和增加进线 电 抗器的方案，并将两者结合在一起达到了更好抑制 谐波的 目的。实际设计的这种装置 ，实测波形显示 达到了提高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 要的工程应用前景。 ’ 此方案的缺点是有 源滤波 器 A P F 的价格 高 ，若 采 用 有 源 滤 波 器 和 动 态 无 功 补 偿 装 置 S V G 、或有源滤波器和无源滤波器 F C的混 合抑制方案 ，可大大降低谐波抑制装置的造价 ，同 样能够收到较好地抑制谐波效果 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 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 ，2 0 0 6 ，3 4 8 7 37 5 ． 刘丽娜 ．石油电驱动钻机供电方式探析 [ J ]． 新西 部 ，2 0 0 8 1 1 1 6 4～1 6 5 ． 李心广 ，赖声 礼 ，杨杰 ．电网无功及不 平衡补偿 中的谐波抑制 [ J ]．电力系统 自动化 ，2 0 0 2 2 0 454 6． 王群 ，姚为正 ，刘进军 ，等 ．谐波 源与有 源电力 滤波器的补偿特性[ J ]．中国电机 工程学报 ，2 0 0 1 f 2】 62 0 ． 第一作者简介党存禄 ，教授，硕 士生导师，生于 1 9 6 4年，1 9 8 7年毕业于甘肃工业大学，主要研究方向为石 油钻机电驱动系统 、电 网谐 波抑制 与无功补偿 和有源 电力 滤波器等 。地址 7 3 0 0 5 0 甘肃省兰州市。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 6 本文编辑赵连禄 上接 第5 3页 通过分析可知 ，若将摩擦因数控制在 0 ． 5左右 时，可以获得理想的接触压力 ，从而保证封隔器胶 筒的 良好坐封。 3 结 论 1 不 同的加载方式对封 隔器胶筒所获得 的 接触压力有较大的影响，胶简单向加载比双向加载 能够获得更大的接触压力。值得注意的是 2胶筒材 料相同时，所产生的接触压力相差较大 。 2 胶简的端面斜角在 4 0～ 5 0 。 、胶筒和套管 壁的摩擦因数为 0 ． 5时 ，上下胶筒均能产生最大的 接触应力 ， 可以获得最好的密封效果。 参考文献 汀汉石油管理局采油工艺研究所 ． 封隔器理论基础与 应用 [ M]．北京石油工业 出版社 ，1 9 8 3 1 4 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 刘 永辉 ．封 隔器胶 筒密 封性 能有 限元 分析 [ D]． 成都 西南石油大学 ，2 0 0 6 ． 季公 明，周先军 ，负平利 ，等 ．封隔器 胶筒接 触应 力的数值模拟分析 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 2 ，3 1 5 4 64 7 ． 王伟，邓涛，赵树高，等 ．橡胶 M o o n e y r i v l i n 模 型 中材 料 常 数 的 确 定[ J ] ．特 种 橡 胶 制 品， 2 0 0 4，2 5 481 0 ． 贾善坡，闫相祯，杨丽，等 ．封隔器胶筒大变形 摩擦接触 的有限元分析 [ J ]．润滑与密封，2 0 0 5 4 7 17 4 ． 第一 作 者 简 介 马 卫 国 ，教 授 级 高级 工 程 师 ，生 于 1 9 6 1 年，1 9 8 3年毕业于江汉石油学院矿机专业，现从事教 学和科研 工作 。地址 4 3 4 0 0 0 湖北省荆州市。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 5 本 文编辑谢守平