1、基于移相变压器的谐波控制技术在 400 英尺钻井平台的应用摘要：电力系统谐波是影响电力系统安全运行的重要因素。如何有效的抑制谐波，保证电力系统的正常运行是亟待解决的问题，本文介绍了谐波的产生和危害、多脉冲抑制电力系统谐波的原理及方法，并对 400英尺海洋钻井平台采用移相变压器的控制谐波的效果进行了分析。 关键词：谐波 变频器 整流 移相变压器 24 脉冲 中图分类号：TM344.6 文献标识码：A 引言 随着海洋钻井技术的不断发展，钻井装备不断更新，采用变频器驱动的电动机系统被越来越多地应用，对平台电网提出的更高的要求，相比陆地电网，容量较小，产生的谐波对电网影响较大，移相变压器在海洋钻井的应
2、用，把谐波控制在一个很低的范围，起到了良好的效果。 1 谐波的定义 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染” 。 2 谐波的产生谐波频率是基波频率的整倍数，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。因为在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波经过多次失真的波形相叠加后，已经被消除了，只有奇次谐波存在。 目前电力系统谐波产生的主要来源有三个方面：发电设备产生谐波，输配电
3、系统产生谐波，用电设备产生谐波。 发电机由于三相绕组和铁心等原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，含有奇次谐波。 晶闸管整流设备。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40%，这是最大的谐波源。变频装置。由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，随着功率越来越大，对电网造成的谐波也越来越多。 3 谐波的危害 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，主要体现在： 电力系统中的谐
4、波能使电网的电压与电流波形发生畸变。降低电网电压，浪费电网的容量。电缆趋肤效应加剧，对绝缘介质有加速老化的危害，缩短电容器的使用寿命。 谐波减少变压器的实际使用容量。还会导致变压器噪声增大 。会增加电动机的附加损耗，降低效率，电动机过热，减少电动机的出力。会对配电用断路器脱扣困难，断路器可能因谐波产生误动作。 电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。导致测量不准确。对于计算机网络、通信、报警系统等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。 4 谐波的抑制 4.1 多相制的移相角 多相制的形成是与整流的脉冲数、机组的台数 N 有关。 如果
5、每组整流脉波数为 P，则有彼此间的相移角 。 4.2 多相脉冲整流抑制谐波原理 采取多相脉冲整流是降低谐波最基本的一种方法。在正常对称情况下, 换流装置产生的谐波电流次数为：n = mp 1 (1) 式中 m 是从 1 开始的任意正整数，p 指换流装置的脉冲数 各次谐波电流的有效值为： (2) 式中 Kn 指谐波系数 I1 指基波电流有效值 一般 K n 1 /n,因此,得 In (3) 由式（1） （2） （3）和图 4.1 可知, 脉冲数愈多,谐波电流的次数愈高,即不产生较低次谐波。同时, 由于谐波电流与谐波次数成反比,故谐波次数愈高, 谐波电流值愈小。可见, 增加脉冲数,可消除较低次谐波
6、,减少产生的谐波电流。 5 移相变压器谐波抑制分析 5.1 移相变压器进行谐波治理的理论根据 基波和谐波电流差模移相折算叠加的增益是不同的，这种不同性就是利用移相变压器进行谐波治理的理论根据。在大功率整流场合，常采用移相变压器使输入多重化，系统的输入电流谐波成份大幅减小，且输入电流的基波因数增大，进而达到提高系统的输入功率因数的目的。 5.2 24 脉波整流特性分析 对于大功率整流设备来说，可以采用移相绕组进行移相，400 英尺钻井平台移相变压器移相绕组设置在整流变压器的一次侧。一次侧绕组以三角形联结。当一次侧绕组为三角形接法时, 则应接成外延三角形联结。外延三角7. 5 合成角差 15 ，组
7、成 360/ 15 = 24 脉波的整流线路。 6 400 英尺钻井平台移相变压器介绍 6.1 钻井移相变压器主要参数 额定容量：5000kVA 额定电压：690V 额定副边电压/第三边电压：710 V / 710 V 额定原边电流：4184 A 额定副边/第三边电流：2033 A / 2033 A 6.2 钻井移相变压器容量选择 设置两台钻井移相变压器，每台容量为 5000kVA。 根据对 400 英尺钻井平台负荷分析，在重载钻井模式整个最大负载消耗为 3891.8kW,不超过 4864.8VA，因此，每个变压器容量为 5000kVA,它超过在电力负荷计算中所需负荷，还有足够的余量。 6.3
8、 钻井移相变压器接线方式及相量描述 1、2 号钻井移相变压器接线方式及相量描述见图 6.1、图 6.2。 图 6.11#移相变压器接线方式及相量描述 图 6.22#移相变压器接线方式及相量描述 6.4 准 24 脉冲 VFD 单线图 准 24 脉冲 VFD 单线图见如下图 6.3。 图 6.3 准 24 脉冲 VFD 单线图 7 400 英尺钻井平台电力系统谐波分析 7.1 谐波分析目的 采用两台移相变压器构成 24 脉冲整流解决方案后，谐波含量是否满足 400 英尺钻井平台的电力系统要求。 7.2 谐波分析方案 （1）在重载钻井模式下，总负荷 7080.58kw。 （2）在正常钻井模式下，总
9、负荷 5835.91kw。 （3）最坏的一种情况，一个钻井移相变压器在维护保养，仅一边的VFD 在工作，钻井 VFD 将提供 12 相脉冲的电输送到电力网。总负荷5515.98kw。 7.3 仿真数据 谐波分析的仿真数据见下表： 表 7.1 谐波分析仿真数据 7.4 谐波分析结果 7.4.1 重载钻井模式 由以上可知，重载负荷模式下，690V 电力线上谐波为 4.56%。 由以上可知，重载负荷模式下，480V 电力线上谐波为 3.71%。 7.4.2 正常钻井模式 由以上可知，正常钻井模式下，690V 电力线上谐波为 3.04%。 由以上可知，正常钻井模式下，480V 电力线上谐波为 2.47
10、%。 7.4.3 最坏的情况 由以上可知，最坏的情况下，690V 电力线上谐波为 2.53%。 由以上可知，最坏的情况下，480V 电力线上谐波为 2.06%。 8 结论 三种钻井工况下，没有一个谐波水平高于 5%。通过结果可以看出，24 脉冲相比 12 脉冲整流装置的谐波含量降低了 44-56%左右。通过准 24脉冲移相变压输出电压稳定，大大降低了输入电流中谐波含量，使波形质量得到了很好的改善，移相变压器对 400 英尺钻井平台电网进行谐波抑制的方法可行。 参考文献 1阳若宁.谐波的产生，危害与抑制J.工程设计与研究 2003.12(2):23 一 25. 2Nikolaus P.Schib
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