电动钻机电网有源电力滤波技术.pdf

2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 1 O期 第 1 6页 石 油矿 场 机 械 F I EL D E QUI P ME NT 2 0 1 0， 3 9 ( 1 0 )： 1 6 2 O 文 章 编 号 ： 1 0 0 1 3 4 8 2( 2 0 1 O) 1 0 0 01 6 - 05 电动钻机 电网有源 电力滤波技术 杨双业 ， 张奇 志 ， 汤楠 ( 西安石油大学 钻机控制技术重点实验 室， 西安 7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 分析 和论述 了电动 钻机 电 网谐 波的特 点， 应 用并联 型有 源 电 力滤波 器 ( S AP F ) 抑 制 电动钻 机 动 力 系统 工作过程 中电流谐波 分量 ， 使 系统 工作更趋安 全稳 定。在 S AP F设计 中， 根据 电动钻机 电 网三相 四线 制的供 电方 式 ， 采 用 d q 一 0谐 波 电流检 测方 法 ； 由于起 下钻 工 况 时电 网谐 波 电流 变化 速 率较 快 ， 选 用跟 踪性 强 的滞环 电流控 制 法 ； 对 S A P F容 量的确定 和 电容 器参数 选择进 行数 学优化 计 算 。仿 真和试 验结果 证 明， 在 电动钻 机 电 网谐 波电流动 态抑制 方 面， S AP F取 得 了较 好 的效果 。 关键词 ： 钻机 ； 谐波抑 制 ； 有 源 电力滤波 器 中图分 类号 ： TE 9 2 8 文献 标识码 ： A S hu nt Ac t i v e Po we r Fi l t e r Us e d o n Oi l Dr i l l i n g Ri g s El e c t r i c Po we r S y s t e ms YANG S h u a n g y e ， Z HANG Qi z h i ， TANG Na n ( Ke yL a b o r a t o r y o f Oi l d r i l l i n gRi gs C o n t r o l l i n g T e c h n i q u e， X a n S h i y o u Un i v e r s i t y， X a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e r e i s s e r i o us of e l e c t r i c c u r r e n t h a r mon i c s du r i n g t he o i l d r i l l i n g r i gs p owe r s ys t e m s wo r ki n g， wh i c h a f f e c t s t he s t a b i l i t y o f t h e p o we r s y s t e ms wo r k Th e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e h a r mo n i c s o f t h e o i l d r i l l i n g r i g s wi t h No n l i n e a r l o a d s wa s f o c u s e d o n， a n d a s p e c i a l s h u n t a c t i v e p o we r f i l t e r( S AP F)wa s d e s i g n e d Th e k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e S AP F i s i n t r o d u c e d， i n c l u d i n g i t s r e a l t i m e de t e c t i on c i r c ui t ， c ur r e n t t r a c ki ng c o nt r o l c i r c ui t ， DC s i d e o f t h e c o nv e r t e r c o nt r o l c i r c u i t a nd S O o n Si m u l a t i on a n d t he e xp e r i m e nt s h owe d t h a t t h e S APF s u pp r e s s i on h a r m o n i c s o f t he Ri g Po we r Bus a c h i e v e d g oo d r e s u l t s， a nd p r ov e d i t s a c t ua l v a l u e Ke y wo r d s ： d r i l l i n g r i g s ； h a r mo n i c s s u p p r e s s i o n ； S AP F 电动钻机 动力系统 作为一 个小 型电 网存 在很 多 谐波源 ， 例如变频器、 UP S和整流逆变装置等 ， 这些 负载会造 成 电网谐 波 的动 态变 化 ， 对 电动钻 机 动力 系统造成危 害 。 a ) 使电机负荷加重 ， 产生振荡转矩 。 b ) 电机和 变压 器铜耗 、 铁耗增加而过热 ， 降 低绝缘强度 。 c ) 变 压器 铁 芯产 生 磁滞 伸 缩 现 象 ， 震 动 噪声 增加 。 d ) 对 录井仪 、 通信 设备、 自动装置 、 继 电保 护 、 测量 设备 和仪 表 等造成危 害 。 传统无源滤波器I 】 只能针对某一次谐波进行抑 制 ， 动态性 很差且 容易 产生谐 振 ， 不 能满足 电动钻机 动力系统母线谐波量的实时变化 ， 应设计实 时跟踪 和动态补偿 的有 源 滤 波装 置 。实 践证 明 ， 抑 制 电 网 电流谐波采用 S AP F | 2 是很好的解决方案。 电动 钻机 的 电控 系统 主要 包 括 钻 井 泵 ( MP ) ， 绞车( D w) ， 转盘 ( RT) 和生活用 电l_ 3 等， 其 中 MP 、 D W、 R T的功耗 占整个设备装机容量的 8 o 以上， 也是最 大 的谐 波源 。谐波 次数 主要为 5 、 7 、 9 、 1 1 次 ， 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 一 O 4 2 6 基 金项 目： 陕西省科技攻关项 目“ 电动钻机动力设备智能控制器的开发” ( 2 0 0 6 K 0 4 一 G 2 0 ) 作者简介 ： 杨双业( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 河北肃 宁人 ， 硕士研究 生 ， 主要从事谐 波抑 制和动态 无功补偿 方面 的研究 ， E - ma i l ： s h u a n g y e y a n g g ma i l c o m。 第 3 9卷第 1 O期 杨双业 ， 等 ： 电动钻 机电网有源 电力滤波技术 其中以 5 、 7 次谐波最为显著。分析以上钻机母线谐 波变化 的特点， 在设 计 S AP F时采 用瞬时 功率理 论L 4 对谐波量进行检测 ； 用滞环电流控制方式产生 脉冲宽度调制 ( P WM) 信号； 直流部分采用经典 P I 控制策 略 。试 验 中主 控 芯 片 采 用 D S P芯 片 。对 所设 计 的 S AP F进行仿 真和试 验 ， 结 果证 明 ， 在 电动 钻机 动力 系统 中 ， 应用 S AP F能有 效 地 抑制 电 网 电 流谐波 。 1 S A P F设计 针对电动钻机动力系统 中主要谐波源对母线造 成 的谐波 问题 ， 设 计 的 S AP F主 要包 括 实 时 检测 电 路 、 电流 跟 踪 控 制 电 路 ( P WM 电路 ) 、 直 流 控 制 电 路 、 变 流器 电路等 ， 其 系统结构 框 图如图 1 。 图 1 电动钻机电网 S AP F系统结构 S AP F工 作 时与 母 线 相连 ， 由实 时 检测 电路 检 测 出母线 的谐波 分量 ， 通过 电流 跟踪 控 制 电路 与 变 流 器产 生 的三 相 谐 波 电 流 、 、 相 比较 生 成 P WM 信号。P WM 信号控制 I GB T变流器产生需 要 补偿 的电流送入 电 网。 1 1实时检 测 电路 对 于三 相 三线 系 统 ， 基 于瞬 时功 率理 论 的谐 波 电流 检 测 方 法 主 要 有 p - q法 和 i p - i 。法 ( 或 称 d - q 法) 。由于 p - q法 本 身 存 在 比较 严 重 的缺 陷 _ 6 ， 通 常选用 d - q法， 这是基于旋转坐标变换的运算方式， 具 有极强 的通用性 ， 其相 应 的转 换公 式为 式 中 ， a C d。 j ib I L j L z 。 J s i蚴 s in ( 一 号 兀 ) s in ( 一 2 丌 ) - c o s wt c 。s ( wt - 2 兀 )一 c 。 s ( o t - 兀 ) ( 2 ) 为 C d 的逆 。 经过 式 ( 1 ) 转 换 ， 可将 3相 电流 i 、 i 、 i 。 转换 为 2相 电流 i 、 i 。用式 ( 3 ) 可将 i 、 i 分别 分解 为直 流 电流和交 流 电流 2部分 ， 即 ( 3 ) 由于 d - q谐 波 检 测 法 只 能 应 用 于 三 相 三 线 系 统 口 ， 针对 电 动钻 机 系统 三 相 四线 供 电方 式 ， 可 在 d - q法 中增 加 一 个 对 应 的 零 序 相 ( d - q 一 0法 ) ， 将 式 ( 1 ) 中 的 C d 矩 阵变换 为 C d 矩 阵 ， 即 厂 c d 。 一 亏 r s i n m t s i n ( 一2 x 3 ) s i n ( mt +2 x 3 ) f c o s w t c o s ( w t -2 7 c 3 ) 一c o s ( w t +2 3 ) f l 1 1 1 1 将式 ( 1 ) ( 2 ) 中的矩 阵用 C d 。 和 替 换 ， 得 出公 式为 ( 4 ) ( 5 ) 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 石 油矿 场 机 械 2 0 1 0 年 1 O月 式( 3 ) 中相应地也要增加 1 个零序相为 ( 6 ) 在设计检测和滤波电路时 ， 采用与 d - q法原理 相同 的谐 波检测 电路 ， 如 图 2 。 图 2实时检测 电路 正、 余弦函数由电压信号经锁相环和正、 余弦信 号发生 器产生 。通过 式 ( 4 ) 的变换 可得 i ， i ， i 。 。 由 式( 6 ) ， 经 L P F滤波得到 i ， i ， i 。的直流分量i ， i ， i 。 ， 再经过式 ( 5 ) 反 变 换 ， 即可 得 到 三 相 电流 的基 波 分量 ， 将此分量与原三相电流做减法运算 ， 即可得到 三相谐波 电流分 量 i ， i b ， i 。 1 2 P WM 生成 电路 产生脉 冲宽度调 制 ( P WM) 信 号 的方 法有 多 种 ， 传统控制方法主要有滞环电流控制 、 三角波 调制控制 和空 间矢 量控 制 3 种 。基 于智能控 制理论 的主要有滑模控制、 预测控制 、 单周控制等 。智能控 制虽然鲁棒性和容错性强于传统控制方法 ， 但运算 量很大， 计算时间长， 不能满足 S AP F实时跟踪控制 的要求， 因此选用传统控制方法 。 根据电动钻机电网谐波在起下钻过程中变化速 率快的特点 ， 选用滞环电流控制方法， 其主要优点是 电流响应快 ， 跟踪性 强 ， 硬 件 电路 简单 。滞环 电流控 制流程如图 3 。 图 3 P WM 生成 电路 图 3中， i “ 为图 2实时检测 电路在 电网电流 中 分离出的谐波信号 ； i 为变流器产生的补偿电流信 号 。二 者之差 经过磁 滞环 后会产 生相应 的高 电平 或 低电平信号 ， 再经一定 的逻辑运算 ， 最终生成 6路 P WM 信号送入变流器的驱动 电路。这样就可以通 过调节磁滞环的宽度控制开关频率 。 1 3直 流控 制 网侧与直流侧之问连接的电力变流器能工作在 逆变和整流 2种工作状态下， 主要 由 P WM 控制。 逆 变状态 为抵消谐 波 的过 程 ； 整流 状 态 为直 流充 电 的过程。对直流侧 电压的控制如图 4 。 啦 圃 图 4直流侧电压控制流程 图 4中， U 为直流参考电压值 ， Ua 。 为直流电压 实际值 ， 将 2个值的信号做减法运算， 然后通过 P I 调节器 得到 ， 它 与 瞬 时 有 功 电 流 的 直 流 分 量 i 经过运算 电路之后 ， 在 i 中增加了一定量的基波有 功分 量 ， 补 偿 电流 运 算 电路 根 据 i n产 生 补 偿 电 流 i ， 使 有源 电力 滤波 器 的补 偿 电 流 中包 含一 定 的基 波有功电流， 从而使有源电力滤波器 的直流侧与交 流侧交换能量， 将 。 调节至参考电压值。 1 4主 电路容 量 s AP F主电路容量由下式确定 ， 即 S： 3 Ef ( 7) 式中， E为电网电压有效值 ， V； I 。 为补偿 电流有效 值 ， A。 要保 证直 流 侧有 足 够 的容 量 ， 应 考 虑直 流侧 电 容的设计。变流器 中直流电容主要有 2个作用 。 a ) 缓冲变流器交流侧与直流负载之间的能量 交换 ， 且稳定 变 流器直 流侧 电压 。 b ) 抑制直流侧谐波电压 。 在选择电容时， 电容值太小会导致负载扰动时 直流电压骤降； 电容值太大又不利于直流电压 的快 速跟踪 。综合这 2方面考虑 ， 令直流侧电压为母线 电压峰值的 1 3倍 ， 即 u盅一1 3 U 。电容值 的范围 可由式( 8 ) 确定， 即 1 十 赢 c ( 8 ) + 1 ， J 一 坤 卯 第 3 9卷第 1 0 期 杨双业 ， 等 ： 电动钻机 电网有源 电力滤波技术 式 中， 为变 流器满 足负 载 阶跃 扰 动 时 的抗 扰性 能指标 ， V； R为直流侧等效 电阻， Q； t 为直流侧 电 压以初始值跃变到参考电压值 己 ， 时 的最大上升时 间 ， S 。 2 仿真结果及分析 在 MATL AB 7 0中根据图 1建立仿真模型 ， 将 图 2整 合为 运算 电路模 块 ， 将 图 3整 合 为 P WM 模 块 ， 变流器选 三相 通用 桥 ， 开关 管 由 I G B T+反 向并 联二 极管构 成 ， 非 线性 负载 由晶 闸管 整 流桥 整 流 得 到直 流 电压 ， 连接 负载 为直流 电动机 ， 以此模 拟 电动 钻机工作状况。在参数选择 中， 电源线电压有效值 V n 一3 8 0 V， 频率 厂 一5 0 Hz ， 直流侧 电压 U 一7 0 0 V， 电容值 C一1 0 0 0 0 F， 滞环宽度 h 一0 2 A， 网侧 与变 流器之 间的连接 电容 L一7 mH。 在 不连 接 S AP F的情 况 下 ， 模 拟 电动钻 机 负载 得到 电压 和 电 流波 形 如 图 5 ， 可 以 观察 到 电流 的波 形畸变严重 ， 其 中 5次和 7次谐 波畸变率 分别为 1 6 3 3 和 9 7 2 。 2 一 2 a a 相电网电压 波形 O O0l O 0 2 O O 3 0 0 4 0 O 5 0 0 6 0O7 0 0 8 时间 s b a 相 电网电流波形 图 5 未连接 S A P F的电网波形 电网连接 S AP F之后 对 电源 电流 波形 的分析如 图 6 ， 图 6 a和 图 6 b分别 为 分 离 出 的 电网 电流谐 波 和 S AP F产生的补偿波 。可 以发现 ， S AP F能实时 准确地跟 踪 电网谐 波 的变 化 ， 能 应对 电 网谐 波动 态 变化 的情 况 。图 6 c为补偿后 电网 电流 波形 ， 在运 行 1 个周 期之后 电 网电流进入 稳定 状态 ， 表 明经 S AP F 滤 波之后 的电 网电流波形 得 到了改 善 。 避 1 0 囊0 脚 一 1 O 2 0 嚣。 一 20 a a相电网电流谐波波形 0 001 0 O 2 0 O 3 0 0 4 0 05 0 0 6 0 0 7 0 08 时间， s b S A P F生成波形 0 0 01 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 O 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 时间， s c 补偿后 a 相 电网电流波形 图 6 连接 S AP F的仿 真结果 进一步对各次谐波进行分析， 如表 1 。可 以看 出， S A P F对电网中各次谐 波都有抑制作用。相对 于无源滤波， 有源滤波对电网谐波抑制 的动态性有 了很大的改善。 表 1各次谐波对 比 谐波次数 5 7 9 1 1 1 3 1 7 无 S APF 1 6 3 3 9 7 2 1 0 0 3 7 5 2 0 7 2 9 9 有 S APF 7 6 2 4 3 4 0 0 4 1 9 1 1 0 2 1 4 9 3 试 验结果分析 为 了进 一 步 验证 以上 理 论 的正 确性 和 可行 性 ， 通过对三相交流电整流之后接直流电机和其他负载 模拟现场情况 ， 对 S AP F的补偿效果进行验证。 S A P F的主控芯片由 D S P 2 8 1 2芯片构成 ， 其 中 包括电流实时检测程序 、 数字低通滤波、 电流跟踪控 制程序、 P WM 生成程序和直流侧闭环控制程序， 并 设计 上位机程 序对 S AP F的工 作状况 进行监 控 。直 流侧电容选用 1 0 0 0 0 F电解 电容 ， 直流侧电压为 7 5 0 V。变流 器 由最 高耐 压 电压 1 2 0 0 V、 最 大 电流 1 5 0 A 的 I G B T构成 。连接电感 L为 6 mH。采集 电压和电流信号选用霍 尔型互感器 ， 经过滤波限幅 之后与 D S P控制板 的 A D转换器相连接 ， 输入信 号经 DS P芯片处理后将信号传至变流器驱动电路， 使变流器生成需要的电流波形传输至 电网， 与母线 谐波 相抵 消 ， 最 终实现 消除母 线谐 波的 目的 。 = 二 八 O 4 2 4 2 O 石油 矿 场机 械 2 0 1 0年 1 O月 用 F l u k e 4 3 4仪表观测母线 电压 和电流波形 ， S AP F投 入运行前 、 后 的波形界 面如 图 7 。 a 投入运行前 b 投入运行后 图 7 S A P F补偿前后波形对 比界面 由 图 7 a 可 以发现 ， 补偿前 电流 的谐 波分 量非 常 大 ， 电流 峰一 峰值 为 5 7 6 O A， 电流 波 形产 生 严 重 的 畸变 ， 不利 于系统 和器 件 的安全 稳 定运 行 。 由图 7 b 看出， 增加谐波抑制单元之后母线电流波形得到改 善 ， 分 析可得 S AP F运行 时 电动钻机 电网 电流峰一 峰 值减为 3 2 8 7 A， 能够很好地抑制电流谐波 ， 改善 电 网供电质量 ， 使波形近似为正弦波 ， 保证器件运行 中 不受 电流谐 波的影 响 ， 为 系统 安 全运 行 和 稳定 工 作 提供 了保证 _ 1 ” 。 4 结 语 通 过对 电动钻机 电 网谐 波源 和谐 波对 钻机 系统 危害 的分析 ， 设 计 了电动钻机 电网用 S AP F， 并论 述 了 S AP F应用 于 电动 钻 机设 计 中的 一些 关 键技 术 。 对 S AP F 的滤 波 效 果 进行 仿 真 和试 验 表 明 ， S AP F 在抑 制钻机 电 网谐 波 方 面取 得 了较 好 的效 果 ， 证 明 了此方法的实际使用价值 。 参考文献： 1 罗 安 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 I- M- 1 北 京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 6 I- 2 王兆 安， 杨君， 刘 进军 ， 等 谐波机制和无功功率补偿 M 2 版 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 1- 3 张奇 志 电动钻机 自动化 技术 E M 北京 ： 石油工 业 出 版 社 ， 2 0 0 6 E 4 Ak a g i H， Ka n a z a w a Y， Na b a e A G e n e r a l i z e d t h e o r y o f t he i n s t a nt a n e o us r e ac t i v e p owe r i n t h r e e - ph as e c i r c u i t s C I n ：I E E E 8 L J I E E P r o c e e d i n g s I P E C T o k y o ： I EEE， 1 9 83： 1 37 5 1 9 8 6 E 5 Wa j i h a S h i r e e n ， L i T a o A D S P b a s e d a c t i v e p o we r f i l t e r f o r l o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o n s y s t e ms E l e c t r i c 1, J - 1 P o we r S y s t e ms Re s e a r c h， 2 0 0 8 ( 7 8 ) ： 1 5 6 1 1 5 6 7 6 杨君 ， 王兆安 三相 电路谐波电流两种检测方法 的对 比研究 J 电工技术学报 ， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 4 3 4 8 E 7 Me h me t Uc a r ， E n g i n O z d e mi r C o n t r o l o f a 3 - p h a s e 4 一 l e g a c t i v e p o we r f i l t e r u n d e r n o n i d e a l ma i n s v o l t a g e c o n d i t i o n J E l e c t r i c P o we r S y s t e ms R e s e a r c h ， 2 0 0 8 ( 78)： 5 8 7 3 8 C h a r u m i t C h ， K i n n a r e s v_ C a r r i e r - b a s e d u n b a l a n c ed p h a s e v o l t a g e s p a c e v e c t or PW M s t r at e gy f o r a s ymme t r i c a l p a r a me t e r t y p e t WO p h a s e i n d u c t i o n m o t o r d r i v e s 1 J P o we r S y s t e ms Re s e a r c h， 2 0 0 9 ( O 2 )： 1 9 9 张崇巍， 张兴 P WM 整 流器 及其控 制 M 北京 ： 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 3 1, 1 0 杨旭 ， 王兆 安 一种新 的准 固定 频率滞 环 P WM 电 流控制方法 J 电工技术学报 ， 2 0 0 3 ， 1 8 ( 3 ) ： 2 4 2 8 - 1 1 刘博 钻机 电控系统 中的谐 波分 析和治理口 电气 应 用 ， 2 0 0 7， 2 6 ( 6 )： 1 6 - 1 7 1 2 戴树涛 ， 税理 中， 董云飞 钻机网电拖动 系统谐波抑制 研究 J 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 9 2 3 1- 1 3 张奇志 ， 贺昱 曜， 李琳 ， 等 井场 电网动态无 功补偿 技术 J 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 ( 6 ) ： 2 5 2 6