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石油钻机专用有源滤波器的研制

2021-02-27

石油钻机电驱动系统在工作时,其所产生的谐波会对600V电网上的其他用电设备带来以下不良影响:电网电压波形会产生畸变,使供电质量下降;谐波电流引起无功功率增加,会降低功率因数;接在同一电网中的变压器、交流电机等损耗加大,会加速绝缘老化,还会使这些设备的振动和噪声增加;接在同一电网中的电力电容器可能由于谐波电流的放大而过电流;谐波可能会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。例如烧坏UPS电源等;谐波会影响仪表用互感器的检测精度;谐波对邻近的弱电系统(包括通信系统和电子设备)会产生干扰。2产品用途及说明采用SCR变流技术的直流钻机,其负载为感性负载,在钻井过程中会产生较大的无功,可能会降低自备发电设备或电网供电设备的使用效率,并且可能会造成较大的电压波动,并产生大量的谐波,从而可能会给其它的用电设备带来危害。因此,有必要采取恰当的无功补偿和谐波抑制措施,使其在提高功率因数的同时还能对谐波进行治理。解决电力电子装置产生谐波污染和解决低功率因数的问题,不外乎以下两种途径:一是对电力电子装置本身进行改造,减少其所产生的谐波含量。这种方法需要对现有的电力电子装置进行大规模更新,需要投入的成本较大,故有一定的局限性。二是向系统装设补偿装置(如滤波器等),设法对谐波进行抑制,这种方法可适用于各种谐波源设备。传统的补偿谐波的主要手段是装设无源LC滤波器。这两种方法结构简单,一直被广泛应用。但这种方法存在的缺点是其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响,易和系统发生并联谐振,且其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偿。随着电力系统的快速发展,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谐波有源补偿装置快速发展。以有源电力滤波器(APF)为代表的有源补偿装置补偿谐波的基本原理如下: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电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而使电网电流中只含有基波分量。采用有源补偿装置补偿谐波的方法安全可靠,其具有很快的动态响应速度和很高的补偿精度。3主电路拓扑选择本项目设计的APF额定工作电压为600V,额定电流为600A,要求装置补偿5、7、11、13次谐波,需要开关器件具有较高的开关频率以满足高次谐波的补偿。一般的电力电子开关器件随着容量的增大其所容许的开关频率将越来越低,所以在将APF用于大容量的谐波补偿时就面临开关器件频率与容量之间的矛盾。解决上述矛盾有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;二是采用多重化的主电路实现大容量APF;三是采用小容量的开关器件并联使用,以降低每支开关管的实际容量,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,在经济上不合理,其结构图如图1所示。第二种方案在满足容量要求的同时,还可以提高等效开关的频率,但其所需要的器件较多,其稳定性、可靠性难以保证,在油田配电系统等较恶劣的用电环境中并不适用。图2多重化主电路方案第三种方案的主电路拓扑如图3所示,可以看出,这种方案的电路结构与小容量APF相同,其结构比较简单。其中的每个开关管均由多个小容量的开关管并联构成,以增大整体的容量。图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、管外参数的对称性以及管间瞬态、稳态的一致性,这对器件的工艺及驱动设计提出了很高的要求。

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