论文摘要：对修井机电力系统谐波分析进行研究，概述了电驱修井机谐波产生的原因和特点，通过两种谐波分析方法对LD32-2修井机系统进行谐波分析，根据结果提出合理的滤波方案，谐波分析的结果表明，变频器的广泛应用对系统电网产生了严重的谐波污染，应该采取措施进行抑制，减少谐波对配电系统和通讯系统的影响，提高电驱动修井机的可靠性。

　　论文关键词：谐波分析，修井机电力系统，仿真计算，有源滤波

　　一、引言

　　现阶段，为了提高油田修井效率，电驱动修井机越来越多的采用非线性电力电子设备，如变频器、电机软起动器等。而当正弦交流电压施加于这些非线性负荷时，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，这些畸变的谐波电流注入到电网中，形成了电力系统的谐波源，直接导致了设备过热、功率因数降低、设备性能破坏、保护设备不能正常操作、通讯设备被干扰等问题，这些情况下很可能导致电路共振，从而引发电力设备绝缘故障和其他设备的严重损坏。更严重的是一个区域的谐波电流会渗透到系统电网或其它领域，从而导致整个系统的电压和电流畸变。因此，在修井机的供电系统设计中要越来越多的考虑谐波对系统的影响。

　　通过对修井机电力系统谐波的产生、现状及主要抑制手段进行概述，利用计算方法和仿真软件对LD32-2海洋修井机电力系统进行谐波计算，并根据计算结果提出合理的滤波方案。

　　二、LD32-2海洋修井机电力系统谐波问题分析

　　2.1、谐波标准

　　针对谐波造成的巨大危害，世界上各种国际学术组织如电气与电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。国际上标准有所不同，但总的趋势是加强对谐波电流畸变的限制，主要标准有欧洲标准IEC61000-2-2-2002，美国标准有IEC519-1992，中国国家技术监督局颁布的国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》。LD32-2修井机遵循IEEE519谐波标准。按照此标准，LD32-2修井机电力系统的谐波畸变率不能超过5％。

　　2.2谐波分析指标

　　谐波分析主要分为两个方面：一是阻抗扫描，又称为频率扫描，得到待研究母线输入端阻抗的模值与谐波次数或频率之间的关系曲线，该曲线对找出谐振点很有用处，阻抗值的突然上升标志着并联谐振，而阻抗值的突然降低表示串联谐振；另一个是谐波潮流计算，其得到的是线路电流和母线电压的基波值和谐波值。

　　评价谐波畸变率的参数主要有2个。

　　（1）谐波含有率HR（HarmonicRatio）

　　工程上常要求给出电压或电流畸变波形中的某次谐波的含有率，以便监测和采取抑制措施。电压畸变波形和电流畸变波形的第n次谐波含有率分别为

　　HRU=×100％（1）

　　HRI=×100％（2）

　　式中U，I第n次谐波电压和电流有效值；

　　U，I基波电压和电流有效值。

　　实际工作中对谐波含有率常以频谱（幅频特性）来表示。

　　（2）总谐波畸变率THD（TotalHarmonicDistortion）

　　THD为各次谐波有效值平方和的方根值与其基波有效值的百分比，简称畸变率DF（DistortionFactor）。

　　电压的总谐波畸变率为

　　THD=×100％

　　电流的总谐波畸变率为

　　THD=×100％

　　通常规定低压供电电压的畸变率不得超过5％，这个标准符合工业供电的电压波形，近似为正弦波形。

　　2.3、LD32-2修井机电力系统谐波分析

　　LD32-2修井机主电源由平台6.3kV中压母排通过一台变压器（6.3kV/0.6kV，4000kVA，50Hz）连接到修井机的0.6kV母排上。修井机上的主要负载为绞车、高压泥浆泵、转盘和顶驱，其中绞车由两台600KW电机驱动，转盘由一台600KW电机驱动，高压泥浆泵由4台600KW电机驱动，这些电机的变频器整流单元均采用6脉波整流器。在工作中会产生很大的非正弦畸变电流，对修井机电力系统会产生很大的干扰。此外，修井机的变压器、不间断电源UPS、荧光灯以及电动机软启动器均会带来一定的谐波干扰。

　　这些谐波将直接对修井机平台600V母线上的设备产生影响，对于6.3KV/600V变压器将会引起变压器损耗增加，进而引起变压器铁心温度升高，使变压器的过载能力降低；由于畸变电压导致峰值电压升高，进而使电缆的绝缘应力增加，引起电缆的绝缘故障。由于修井机MCC系统（马达控制中心）的400V电源是通过一台1000KVA的600V/400V的变压器转换而来的，因此600V母线上的谐波也会影响400V母线上的设备，直接导致400V交流电动机的温升增加，由谐波产生的脉冲转矩会造成电动机运行时更大的噪声，脉冲转矩还可能造成电动机与所驱动机械的谐振，造成更大的危害。还会影响修井机仪表系统的测量准确性；引起照明系统荧光灯故障。

　　更严重的是修井机平台的谐波电流会渗透到给它供电的中心平台电网，从而导致整个供电系统的电压和电流畸变。

　　三、LD32-2修井机谐波计算

　　3.1、利用公式计算

　　修井机谐波源主要产生在600V交流母线上，根据谐波标准IEEE519-1992，600V系统有源滤波器的谐波电流的计算如下所示：

　　由于修井机电力系统属于微电网系统，滤波器接入点的最大的短路电流与最大负荷电流的关系为：最大的短路电流倍最大负荷电流，故谐波电流的有限值应为I的5%以内。

　　故取在基波电流的5%以内的谐波电流值为符合要求的值。

　　600V系统有源滤波器的谐波电流的计算如下：

　　基波电流I=I/（1+THDI）

　　谐波电流I=THDI×I

　　THDI――总的谐波电流畸变率

　　I―――负荷电流

　　将谐波计算公式和计算条件做在EXCEL表格中，生成如下计算结果如下：

　　绞车

　　转盘/顶驱

　　泥浆泵

　　IEEE519允许畸变率

　　0.05

　　变频器谐波电流畸变率THDI

　　0.25

　　修井工况下的负荷率

　　0.2

　　0.6

　　0.65

　　功率因数

　　0.85

　　0.85

　　0.85

　　额定电压（V）

　　600

　　600

　　600

　　额定负荷（KW）

　　1200

　　600

　　2400

　　工况下负荷（KW）

　　240

　　360

　　1560

　　负荷电流A（Ir）

　　271.70

　　407.55

　　1766.06

　　基波电流A（IL）

　　263.58

　　395.38

　　1713.33

　　谐波电流A（IH）

　　65.89

　　98.84

　　428.33

　　谐波电流合计A

　　593.07

　　额定电流合计A

　　2445.31

　　总谐波畸变率

　　0.2425

　　允许谐波电流A

　　122.26

　　需补偿的谐波电流A

　　470.81

　　由上表可以看出总的谐波畸变率已达到24.25％，超出了IEEE519中允许的5％畸变率。需要采用谐波抑制措施，补偿谐波电流470A。

　　3.2、利用仿真软件计算分析

　　利用ETAP电力系统分析软件进行分析，ETAP是一个全界面的电力系统仿真分析、计算高级应用软件，拥有标准的离线仿真模块，具有高级、实时仿真、优化和高速智能甩负荷等功能。ETAP的谐波分析程序能精确模拟电力设备模型，该程序有两种谐波分析方法：谐波潮流分析和谐波频率扫描，都是电力系统谐波分析中最流行并有效的分析方法。

　　在电力系统谐波分析时通常将谐波源处理为谐波电流源，修井机电力系统的主要谐波源为变频器。ETAP能直接将变频器模块在单线图中反映出来，并能够选择变频器各厂家不同型号的谐波参数，或者典型的VFD变频器的谐波模型，通过图形观测谐波源的波形和频谱。

　　ETAP建模单线图与工程单线图一致，设备参数根据实际选型输入，变频器选择库中的ABB公司的6脉波变频器。建立模型如下图：

　　snap1.bmp

　　运行ETAP谐波潮流分析程序，完成谐波潮流分析，得到BUS2600V母线上的谐波畸变率如下：

　　snap2.bmp

　　snap3.bmp

　　600V母线上的谐波畸变率达到了22.84％，超过了IEEE519中允许的5％畸变率。需要采用谐波抑制措施。需要进行谐波补偿电流为436A。

　　以下为BUS2600V母线上的谐波电压仿真曲线：

　　snap5.bmpsnap6.bmp

　　通过以上两种方法的分析，都可以得到修井机电力系统需要进行谐波抑制的结论，采用公式计算的方法得出的谐波畸变率偏大，但最终的谐波电流补偿值相差不大。我们采用软件分析的结果，谐波畸变率为22.84％，需补偿电流436A。

　　四、滤波方案选择

　　谐波抑制方法有以下几种：

　　1、选择12脉波变频器

　　如果选用12脉波的变频器，并内置交流电抗器抑制谐波，使输入输出的电流都近似正弦波，保证变频器的绿色化，可以从根本上解决谐波问题。但是成本会比较高。

　　2、有源滤波器和无源滤波器方案

　　因为无源滤波器是根据功率因数的高低投切电容器以滤除谐波，因此在修井机电力系统功率因数都大于90％的系统中滤波效果差，而有源滤波器根据谐波电流大小控制滤波，采用闭环技术，精度佳，滤波效率高。无源滤波器只能滤除某次谐波。如需要同时滤除多次谐波，则体积庞大，价格昂贵，而有源滤波器可以同时滤除20种谐波（即可同时滤除3、5、7、11、13、17、19等多次谐波），可滤除最高达50次的谐波。无源滤波器容易过载，当因过载而旁路后，无任何滤波效果。有源滤波器在容量范围内不易发生过载，只根据电源大小和本身能力滤波。由此，在本次设计中考虑选用有源滤波器。

　　有源滤波器连接方式选择

　　有源滤波器有串联和并联两种连接方式。串联方式的特点是：

　　A、缺少灵活性，有较大损耗。

　　B、有源滤波器如有故障会影响整条线路的供电，降低供电的可靠性。

　　并联方式的特点为：

　　A、灵活性好，可容易的连接到配电系统的任意位置，实现局部补偿、部分补偿和全局补偿。

　　B、扩容性能好，在非线性负载增大时，可直接并联扩容，简单方便。

　　C、安全性好，可保证对负荷的连续安全供电。

　　由此，选择并联连接的有源滤波器，根据有源滤波器选型手册，选用电流补偿值为500A的有源滤波器。

　　五、结论

　　变频器在修井机中的广泛应用提高了修井机的自动化程度，但同时其产生的谐波问题也为修井机配电系统和通讯系统的稳定性和可靠性提出了挑战，通过科学的计算，选用合适的有源滤波器进行补偿可以减少和抑制谐波，净化修井机电网，进而提高修井机可靠性和使用寿命，减少修井机电气故障。

　　参考文献

　　1 万兆安。谐波抑制和无功功率补偿。机械工业出版社。1998

　　2 George J W.电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计。徐政译。机械工业出版社。2003

　　3 许克明等。电力系统高次谐波。重庆大学出版社。1991

　　4 ETAP用户手册。2006