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,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%。

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。

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