利用ETAP軟件建模進(jìn)行模塊鉆機(jī)有源濾波器選型

率冉冉，范路芳，董永武(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

海洋平臺(tái)

利用ETAP軟件建模進(jìn)行模塊鉆機(jī)有源濾波器選型

率冉冉，范路芳，董永武
(艾法能源工程股份有限公司，天津 300457)

模塊鉆機(jī)上的鉆井設(shè)備比如泥漿泵、絞車、頂驅(qū)等大電機(jī)均采用變頻控制，變頻器在驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的過程中，由于半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，在其網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生大量諧波，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，所以需對(duì)諧波進(jìn)行治理，通常鉆機(jī)對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞绞窃O(shè)置有源濾波器。文章以某模塊鉆機(jī)為例，利用ETAP軟件建立電氣系統(tǒng)模型，確定模塊鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的諧波電流值，為選擇適合的有源濾波器提供依據(jù)，使模塊鉆機(jī)的整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

ETAP軟件；諧波計(jì)算；有源濾波器選型

1 ETAP軟件簡介

ETAP是一款功能全面的綜合型電力及電氣分析軟件，擁有強(qiáng)大、完善的計(jì)算分析功能及直觀的操作界面。只要根據(jù)電氣系統(tǒng)在ETAP軟件中建立相應(yīng)的單線圖，定義好各個(gè)電氣設(shè)備的參數(shù)及諧波源的模型，就可以在軟件中模擬電站的運(yùn)行方式，在單線圖中直接進(jìn)行虛擬操作，只需要一個(gè)計(jì)算按鈕，就可以得到諧波潮流及頻率響應(yīng)曲線，從而得到諧波對(duì)電站的影響結(jié)果。

2 鉆機(jī)電氣系統(tǒng)組成

模塊鉆機(jī)主電源由4臺(tái)1 714 kVA CAT發(fā)電機(jī)組提供，電制為690 V,50 Hz，3 Ph，3 W，通過690 V電源進(jìn)線柜連接到模塊鉆機(jī)690 V低壓盤母排上。正常情況下3臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)發(fā)電機(jī)備用。400 V用電設(shè)備則通過2臺(tái)690 V/400 V ，1 250 kVA變壓器供電。鉆機(jī)模塊上的主要鉆井設(shè)備：3臺(tái)高壓泥漿泵組，絞車，頂驅(qū)，轉(zhuǎn)盤等都為600 V負(fù)載，其電動(dòng)機(jī)全部為交流電機(jī)，采用全交流變頻(6脈沖)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。

模塊鉆機(jī)電氣系統(tǒng)主要諧波源是為以下設(shè)備供電的變頻器：①頂驅(qū)(1 000 kW)；②3臺(tái)泥漿泵(1 200 kW,2用1備)；③絞車(1 600 kW)；④轉(zhuǎn)盤(600 kW，備用)。其中泥漿泵由690 V低壓盤母排LA段供電，頂驅(qū)、絞車、轉(zhuǎn)盤由690 V低壓盤母排LB段供電。

3 計(jì)算假設(shè)條件

鉆機(jī)模塊的690 V母排共為2段， LA段上有3臺(tái)1 200 kW(2用1備)的由全交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的大型電動(dòng)機(jī)， LB段上有1臺(tái)1 600 kW、1臺(tái)600 kW、1臺(tái)1 000 kW的由全交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的大型電動(dòng)機(jī)。交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，但它也采用的是大功率電力半導(dǎo)體器件，會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波。本項(xiàng)目采用6脈沖交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，將會(huì)產(chǎn)生5次，7次，11次，13次，17次，19次等6n±1次諧波，其中n為任一自然數(shù)。

在諧波分析計(jì)算中，電力系統(tǒng)工況將按以下假設(shè)條件進(jìn)行考慮。

1) 鉆機(jī)模塊是由本身自設(shè)的柴油發(fā)電機(jī)供電，此諧波計(jì)算只限于鉆機(jī)模塊本身諧波源產(chǎn)生的諧波，諧波的治理也只限于鉆機(jī)模塊電網(wǎng)。

2) 按照在鉆機(jī)模塊690 V母排上所有交流變頻裝置產(chǎn)生的總的諧波電流畸變率THDi來進(jìn)行計(jì)算。

3) 因平臺(tái)空間所限，考慮采用2組有源濾波器分別集中補(bǔ)償2段690 V母排上的諧波含量。

4) 主電站4臺(tái)主機(jī)全部運(yùn)行，2臺(tái)1 250 kVA變壓器為分列運(yùn)行狀態(tài)。

5) 計(jì)算時(shí)將按照最大工況(倒滑眼工況)進(jìn)行考慮，此時(shí)頂驅(qū)、2臺(tái)泥漿泵和絞車將同時(shí)工作，其中2臺(tái)泥漿泵將作為一個(gè)諧波源進(jìn)行考慮，此工況下的電機(jī)負(fù)荷如表1所示。

表1 電機(jī)負(fù)荷表

4 電氣系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

電氣系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表2、表3所示。

表2 發(fā)電機(jī)參數(shù)

續(xù)表2 發(fā)電機(jī)參數(shù)

表3 主變壓器參數(shù)

5 諧波分析計(jì)算

根據(jù)諧波標(biāo)準(zhǔn) IEEE 519—1992[1]，諧波電流含量標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 IEEE 519—1992關(guān)于諧波電流畸變值的限制規(guī)定

表4中ISC為公共連接點(diǎn)的最大短路電流；IL為公共連接點(diǎn)的最大基波負(fù)荷電流；h為諧波次數(shù)；THD為電流的總畸變率。

由于海洋電力系統(tǒng)屬于微電網(wǎng)系統(tǒng)，濾波器接入點(diǎn)的最大的短路電流與最大負(fù)荷電流的關(guān)系為：最大的短路電流ISClt;20倍最大基波負(fù)荷電流IL，故諧波電流的有限值應(yīng)為5% 的基波電流以內(nèi)。故取在基波電流的5% 以內(nèi)的諧波電流值為符合要求的值。

基波電流IL=Irms/(1+THDi2)1/2,

(1)

式中：Irms為公共連接點(diǎn)電流有效值；THDi為諧波電流的總畸變率。

諧波電流IH=THDi×IL。

(2)

使用ETAP軟件建立鉆機(jī)電氣系統(tǒng)模型并完成的諧波分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明母排LA段、LB段的諧波電流畸變率為30.01%。

6 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)ETAP軟件分析結(jié)果及公式(1)、公式(2)可以得到如下計(jì)算結(jié)果。

1)為頂驅(qū)供電的電纜處電流有效值Irms為 525.8 A，諧波電流畸變率THDi為30.01 %，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=503.6 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=151.1 A。

根據(jù)IEEE 519—1992，限制電流為：IL×5%=25.2 A。

補(bǔ)償電流為：I1=151.1-25.2=125.9 A。

2)為泥漿泵供電的電纜處電流有效值Irms為1 129 A，諧波電流畸變率THDi為30.01 %，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=1 081.4 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=324.5 A。

根據(jù)IEEE 519—1992，限制電流為：IL×5%=54.1 A。

補(bǔ)償電流為：I2=324.5-54.1=270.4 A。

3)為絞車供電的電纜處電流有效值Irms為453 A，諧波電流畸變率THDi為30.01%，則基波電流IL為：IL=Irms/ (1+THDi2)1/2=433.9 A。

諧波電流IH為：IH=IL×THDi=130.2 A。

根據(jù)IEEE519-1992，限制電流為：IL×5%=21.7 A。

補(bǔ)償電流為：I3=130.2-21.7=108.5 A。

4)根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，總補(bǔ)償電流為：

I=I1+I2+I3=125.9+270.4+108.5=504.8 A。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮負(fù)載波動(dòng)范圍內(nèi)諧波電流的波動(dòng)，可對(duì)690 V母排進(jìn)行600 A的電流補(bǔ)償,考慮到電氣設(shè)備維護(hù)的便利性，在690 V母排LA段和LB段各配置1臺(tái)300 A的有源濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)模塊鉆機(jī)電力系統(tǒng)有效的諧波治理。

本項(xiàng)目鉆機(jī)2015年5月出海，經(jīng)過陸地調(diào)試和海上調(diào)試，電氣諧波在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，預(yù)計(jì)2015年7月即可投入使用。

7 結(jié)束語

ETAP軟件有豐富的諧波源庫，海洋平臺(tái)常用的變頻器比如ABB,ROCKWELL等廠家變頻器都可以在ETAP中找到相應(yīng)的諧波源模型。由上可以看出，利用ETAP軟件仿真手段，建立電氣模型對(duì)諧波源諧波電流進(jìn)行計(jì)算分析是十分快捷方便的，這為有源濾波器的快速選型打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]IEEE 519—1992，IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems[S].

Frequency control is used mostly on module drilling equipments such as mud pump，winch and top drive with heavy motors.In the course of frequency speed-governing,a lot of harmonic waves are produced on line side because of the character of semi-conductor's switch,which make pollutant on grid and must be governed by compensation with active filter.Taking some certain module drilling as example,the current value on harmonic waves can be confirmed by setting electrical system model with software ETAP,which provides basis for choosing proper active filter,making the harmonic waves content on gird in accord with national standard.

software ETAP;harmonic wave calculation;active filter tectotype

P75

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.017

率冉冉(1981-)，女，山東濟(jì)寧人，工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋工程電氣設(shè)計(jì)工作。

2015-06-26