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                            石油鉆機專用有源濾波器的研制

                            2021-02-27

                            石油鉆機電驅動系統在工作時,其所產生的諧波會對600V電網上的其他用電設備帶來以下不良影響:電網電壓波形會產生畸變,使供電質量下降;諧波電流引起無功功率增加,會降低功率因數;接在同一電網中的變壓器、交流電機等損耗加大,會加速絕緣老化,還會使這些設備的振動和噪聲增加;接在同一電網中的電力電容器可能由于諧波電流的放大而過電流;諧波可能會在公共電網中產生并聯諧振,引起過電壓而損壞電網中的其他用電設備。例如燒壞UPS電源等;諧波會影響儀表用互感器的檢測精度;諧波對鄰近的弱電系統(包括通信系統和電子設備)會產生干擾。2產品用途及說明采用SCR變流技術的直流鉆機,其負載為感性負載,在鉆井過程中會產生較大的無功,可能會降低自備發電設備或電網供電設備的使用效率,并且可能會造成較大的電壓波動,并產生大量的諧波,從而可能會給其它的用電設備帶來危害。因此,有必要采取恰當的無功補償和諧波抑制措施,使其在提高功率因數的同時還能對諧波進行治理。解決電力電子裝置產生諧波污染和解決低功率因數的問題,不外乎以下兩種途徑:一是對電力電子裝置本身進行改造,減少其所產生的諧波含量。這種方法需要對現有的電力電子裝置進行大規模更新,需要投入的成本較大,故有一定的局限性。二是向系統裝設補償裝置(如濾波器等),設法對諧波進行抑制,這種方法可適用于各種諧波源設備。傳統的補償諧波的主要手段是裝設無源LC濾波器。這兩種方法結構簡單,一直被廣泛應用。但這種方法存在的缺點是其補償特性易受電網阻抗和運行狀態的影響,易和系統發生并聯諧振,且其只能補償固定頻率的諧波,難以對頻率變化的諧波進行有效的動態補償。隨著電力系統的快速發展,對諧波進行快速動態補償的需求越來越大。隨著以IGBT為代表的全控型器件向大容量、高頻化方向的不斷發展,采用電力電子技術的各種諧波有源補償裝置快速發展。以有源電力濾波器(APF)為代表的有源補償裝置補償諧波的基本原理如下:從補償對象中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流,從而使電網電流中只含有基波分量。采用有源補償裝置補償諧波的方法安全可靠,其具有很快的動態響應速度和很高的補償精度。3主電路拓撲選擇本項目設計的APF額定工作電壓為600V,額定電流為600A,要求裝置補償5、7、11、13次諧波,需要開關器件具有較高的開關頻率以滿足高次諧波的補償。一般的電力電子開關器件隨著容量的增大其所容許的開關頻率將越來越低,所以在將APF用于大容量的諧波補償時就面臨開關器件頻率與容量之間的矛盾。解決上述矛盾有3種方案可供選擇:一是采用多臺獨立的小容量APF并聯使用;二是采用多重化的主電路實現大容量APF;三是采用小容量的開關器件并聯使用,以降低每支開關管的實際容量,從而提高整個開關管的開關速度。第一種方案簡單易行,但成本較高,在經濟上不合理,其結構圖如圖1所示。第二種方案在滿足容量要求的同時,還可以提高等效開關的頻率,但其所需要的器件較多,其穩定性、可靠性難以保證,在油田配電系統等較惡劣的用電環境中并不適用。圖2多重化主電路方案第三種方案的主電路拓撲如圖3所示,可以看出,這種方案的電路結構與小容量APF相同,其結構比較簡單。其中的每個開關管均由多個小容量的開關管并聯構成,以增大整體的容量。圖3開關管并聯方案開關管并聯方案的技術關鍵在于多管并聯時管內、管外參數的對稱性以及管間瞬態、穩態的一致性,這對器件的工藝及驅動設計提出了很高的要求。

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