CN201956687U - 用于直流电动钻机的全有源动态谐波抑制及无功补偿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种解决石油钻采行业直流和交流钻机在使用网电或者发电机供电时存在的功率因素低、电压不稳、谐波含量高等问题的全有源动态谐波抑制与无功补偿装置。本实用新型把现代电力电子理论和实际应用相结合，利用IGBT作为功率元件取代现有的无源无功补偿中常用的电容和电感，利用高速DSP微处理器进行计算并控制装置提供负载所需的无功和抑制谐波电流。 本实用新型能对容量突变的无功和谐波进行快速和连续的补偿，可克服传统的无功补偿器和滤波器响应速度慢、补偿效果不能精确控制、容易与电网发生并联谐振和投切震荡等缺点。本装置能有效提供电网稳定性、抑制谐波、提高系统功率因数，可大量运用于石油、化工、铁路、冶炼、机场等。

Description

用于直流电动钻机的全有源动态谐波抑制及无功补偿系统

技术领域

本实用新型及一种全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，具体是指一种用于直流电动钻机的全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，特别是指在石油电动钻机中运行的全有源动态谐波抑制和无功动态补偿的装置，属于电力电子的技术领域。

背景技术

现有技术中直流电动钻机一次主电路均采用的是SCR可控硅整流直流调速(6脉动变流器)，现场负荷主要为电动机，变压器等感性设备，钻机在实际生产使用中，系统无功功率需求很大，特别是在电动机低转速、大电流工作时，系统的功率因数通常只有0.4左右。当现场为柴油发电机组供电时，往往由于柴油发电机组视在功率的限制，只能采取多开柴油发电机组，多机组并列提高发电能力来满足设备对无功负荷的要求；当现场供电取于网电时，会由于系统功率因数低，未达到电力系统对功率因数的要求，电力公司会额外加收无功计量费用。这种状况增加了能源消耗，降低了经济效益。

同时SCR可控硅整流系统产生较大的谐波，危害是十分严重。谐波使电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波会影响各种电器设备的正常工作，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁，造成巨大的经济损失。谐波可引起电力系统局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大，造成电容器等设备的损坏。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能计量出现混乱。

因此，直流钻机电力系统的谐波抑制和无功功率补偿问题已成为行业热点。治理直流钻机电力系统污染，减少和消除电网的谐波危害，降低能源消耗，节省资源，已成为直流电动钻机电力系统研究领域所面临的重大课题。

本实用新型的设计人经过不断的实验研究，终于研发出本实用新型用于直流电动钻机的全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，特别是用于石油电动钻机技术中。

实用新型内容

为解决上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种解决直流电动钻机功率因素低，无功消耗大，谐波畸变严重等问题的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，该系统包括：SCR控制房2、网电配电房3或发电机组4，所述的网电配电房3或发电机组4的输出电缆分别连接到切换柜5的两组进线端，在所述的切换柜5与SCR控制房2之间的电缆上设置电流互感器CT，或者，在所述的发电机组4与SCR控制房2之间的电缆上设置电流互感器CT，在SCR控制房2与网电配电房3之间或者SCR控制房2与一组发电机4之间设有全有源谐波抑制及无功动态补偿控制站1；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1开设有进出线窗口11，所述的SCR控制房2开设有进线口21，全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1通过动力电缆13穿过进出线窗口11、进线口21与SCR控制房2内的设备相连；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1通过信号电缆14穿过进出线窗口11与电流互感器CT相连；所述的切换柜5和电流互感器CT通过动力电缆、穿过进线口21与SCR控制房2相连。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1包括：开关监控柜10、空调12、有源动态谐波抑制滤波柜APF以及有源动态无功补偿控制柜SVG；所述的发电机组4通过开关K与开关监控柜10的供电端相连，发电机组4通过电流互感器CT与开关监控柜10的信号接收端相连，所述的开关监控柜10供电输出端通过主母排、开关K将有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG并联连接；所述的电流互感器CT将采样的信号，传输到开关监控柜10、有源动态谐波抑制滤波柜APF、有源动态无功补偿控制柜SVG，该信号是串联的；所有有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG的一次线路均由铜排连接到主母排上；在所述的进出线窗口11内设置有防爆连接器，所述的SCR控制房2包括负载SCR。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的开关监控柜10采用机械电子连锁控制系统，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG之间通过一次线路无电缆铜排连接；所述的负载SCR采用直流调速装置驱动石油钻井现场的大功率设备为主。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，该系统还设置有空调机组12、风道15、机械活动拉手16，所述的风道15设置在空调机组12的一侧，空调机组12分为室内机和室外机，室内机又分为第一空调机和第二空调机，风道15包括两侧进风管和底部进风管构成的3风道系统，所述的机械活动拉手16连接一蝶阀，通过蝶阀的开或关，来选择第一空调机和第二空调机的开关状态，由防爆连接器采样信号，集成到保温隔热方仓内。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的电流互感器CT将采样信号集成到开关监控柜10，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG的电流互感器CT信号从开关监控柜10中分出来，串联到各个有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG，电流互感器CT为模拟量信号，该信号从各个有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG集成到开关监控柜10，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG通过RS485通讯线将信号集成到开关监控柜10。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，有源动态谐波抑制滤波柜APF包括：进线电抗器L，PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器CT，该电流互感器CT设置在进线电抗器L与主母排之间，进线电抗器L连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上；从电流互感器CT获得采样信号，传输到指令电流计算的系统，进行数据的分析，计算，从而给对应的PWM电流跟踪的控制驱动电路信号，从而驱动IGBT的导通角，输出滤除电网谐波与无功功率的电流，经过电抗器L后输出到主母排；并对IGBT的输出电流用电流互感器CT取样，反馈到PWM电流跟踪的控制驱动电路上形成闭环，以精确控制输出电流。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，有源动态无功补偿控制柜SVG包括：进线电抗器L，PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器CT，该电流互感器CT设置在进线电抗器L与主母排之间，进线电抗器L连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上；将自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的主母排为600V母线，网电配电房3或发电机组4通过切换柜的双投开关投入600V母线；有源动态谐波抑制滤波柜APF和有源动态无功补偿控制柜SVG通过铜排连接到开关监控柜10的智能开关投入600V母线；负载SCR用电系统直接投入600V母线。

使用本实用新型的有益效果在于：

(1)提高了电网上用电设备的功率因数，整个系统的功率因数达到0.93以上；

(2)减少了设备供电容量，减少了设备的投资；

(3)减少了设备及线路损耗，提高系统安全性；

(4)减少了线路和变压器的压降，稳定电网电压波动；

(5)滤除电网上大部分谐波；

(6)不会与电网发生并联谐振；

(7)对电网频率波动不敏感；

(8)设备自动限制输出电流，不会因过电流烧毁；

(9)无级调节，不会出现过补偿；

(10)响应速度快，响应时间：≤5ms；

(11)自身损耗低。

直流调速驱动石油钻机(D型钻机)由于负载特性及调速性能好，成本适中，已在石油钻井行业广泛使用，由于系统为可控硅整流直流调速，主要负荷为绞车、转盘、泥浆泵，交流电机等，因此系统有如下特点：

(1)无功电流大；无功变化快

(2)功率因数低；负载变化大

(3)电压波动大；电压畸变率高

(4)电流谐波大；畸变率高

有源产品对比采用无源器件的补偿装置有以下的优点：

(1)不会与电网发生并联谐振；(采用无源器件的补偿装置在起下钻时，会烧毁自身设备，甚至还会烧毁电网上的仪表、低压产品等各种其它用电设备，设备安全系数大大降低，增加了维护成本，而该有源产品则完全无此风险)

(2)对电网频率波动不敏感；

(3)设备自动限制输出电流，不会因过电流烧毁；

(4)无级调节，不会出现过补偿；技术可靠，故障率低。

(5)响应速度快；(采用无源器件的补偿装置在起下钻时，响应速度慢，并且不能无级调节，经常过补或者欠补，而且经常发生设备跳闸、烧毁等现象，甚至不能使用，完全不适应油田起下钻工况)。

(6)自身损耗低，约占2％；(采用无源器件的补偿装置自身损耗大于15％，节电不明显；相对比于采用无源器件的补偿装置，该有源产品节电效果明显，每个月比无源器件的补偿装置多节省十五万元以上，一年则多节省一百八十万元以上。)

附图说明

图1为本实用新型直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统在井场的布置结构示意图；

图2为图1中直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统的电路原理图；

图3为本实用新型全有源动态谐波抑制及无功补偿系统的电路原理图；

图4为本实用新型有源动态谐波抑制滤波柜APF的等效电路图；

图5为本实用新型有源动态谐波抑制滤波柜APF的工作原理图；

图6为本实用新型APF的等效原理图；

图7为本实用新型SVG的工作原理图；

图8为本实用新型风道部分结构示意图；

具体实施方式

下面通过具体实施例，结合附图对本实用新型进行详细描述。

如图1、图8所示，一种直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，该系统包括：SCR控制房2、网电配电房3或发电机组4，所述的网电配电房3或发电机组4的输出电缆分别连接到切换柜5的两组进线端，在所述的切换柜5与SCR控制房2之间的电缆上设置电流互感器CT，或者，在所述的发电机组4与SCR控制房2之间的电缆上设置电流互感器CT，此间说明的是：网电配电房3与发电机组4仅能选择其一工作，为方便倒换接入方式而设置切换柜，每次选择供电方式时，仅能单独选择一种。根据图中分别表述了此两种连接方式，所述的发电机组4的输出端电缆与电流互感器CT相连，切换柜5的输出端电缆与电流互感器CT相连，在SCR控制房2与网电配电房3之间或者SCR控制房2与一组发电机4之间设有全有源谐波抑制及无功动态补偿控制站1；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1开设有进出线窗口11，所述的SCR控制房2开设有进线口21，全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1通过动力电缆13穿过进出线窗口11、进线口21与SCR控制房2内的设备相连；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1通过信号电缆14穿过进出线窗口11与电流互感器CT相连；所述的切换柜5和电流互感器CT通过动力电缆、穿过进线口21与SCR控制房2相连；如图8所示，该系统还设置有空调机组12、风道15、机械活动拉手16，所述的风道15设置在空调机组12的一侧，空调机组12分为室内机和室外机，室内机又分为第一空调机和第二空调机，风道15包括两侧进风管和底部进风管构成的3风道系统，所述的机械活动拉手16连接一蝶阀，通过蝶阀的开或关，来选择第一空调机和第二空调机的开关状态，由防爆连接器采样信号，集成到保温隔热方仓内；如图8中部件结构所示，即当空调1不在工作状态时，蝶阀处于关闭状态，其对应的风道处于不流通风的状态，此时空调2在工作，蝶阀处于开启状态，其对应的风道处于可以流通风的状态。

如图2所示，所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统中，所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站1包括：开关监控柜10、空调12、有源动态谐波抑制滤波柜APF以及有源动态无功补偿控制柜SVG；所述的发电机组4通过开关K与开关监控柜10的供电端相连，发电机组4通过电流互感器CT与开关监控柜10的信号接收端相连，所述的开关监控柜10供电输出端通过主母排、开关K将有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG并联连接；所述的电流互感器CT将采样的信号，传输到开关监控柜10、有源动态谐波抑制滤波柜APF、有源动态无功补偿控制柜SVG，该信号是串联的；所有有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG的一次线路均由铜排连接到主母排上；在所述的进出线窗口11内设置有防爆连接器，所述的SCR控制房2包括负载SCR。所述的开关监控柜10采用机械电子连锁控制系统，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG之间通过一次线路无电缆铜排连接；所述的负载SCR采用直流调速装置驱动石油钻井现场的大功率设备为主。

如图3所示，所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的电流互感器CT将采样信号集成到开关监控柜10，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG的电流互感器CT信号从开关监控柜10中分出来，串联到各个有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG，电流互感器CT为模拟量信号，该信号从各个有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG集成到开关监控柜10，所述的有源动态谐波抑制滤波柜APF与有源动态无功补偿控制柜SVG通过RS485通讯线将信号集成到开关监控柜10。

如图4所示，有源动态谐波抑制滤波柜APF包括：进线电抗器L，PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器CT，该电流互感器CT设置在进线电抗器L与主母排之间，进线电抗器L连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上；从电流互感器CT获得采样信号，传输到指令电流计算的系统，进行数据的分析，计算，从而给对应的PWM电流跟踪的控制驱动电路信号，从而驱动IGBT的导通角，输出滤除电网谐波与无功功率的电流，经过电抗器L后输出到主母排；并对IGBT的输出电流用电流互感器CT取样，反馈到PWM电流跟踪的控制驱动电路上形成闭环，以精确控制输出电流。

有源动态无功补偿控制柜SVG的结构原理图与有源动态谐波抑制滤波柜APF相同，如图4，包括：进线电抗器L，PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器CT，该电流互感器CT设置在进线电抗器L与主母排之间，进线电抗器L连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上；其不同之处在于，核心运算程序、控制方式不同，元器件选用型号不同；将自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，所述的主母排为600V母线，网电配电房3或发电机组4通过切换柜的双投开关投入600V母线；有源动态谐波抑制滤波柜APF和有源动态无功补偿控制柜SVG通过铜排连接到开关监控柜10的智能开关投入600V母线；负载SCR用电系统直接投入600V母线。

如图5，为本实用新型有源动态谐波抑制滤波柜APF的工作原理图，与无源滤波器相比，有源电力滤波器APF具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得期望的电源电流。其补偿谐波的等效电路图如图6所示，从图中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{sh}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Lh}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ch}}$

只要控制有源电力滤波器的输出电流

使其满足即可使电网侧的谐波电流

静止无功发生器SVG的基本原理是指将自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。如图7，为SVG的工作原理图，将系统看作一个电压源，SVG可以看作一个可控电压源，连接电抗器可以等效成一个线形阻抗元件。表1给出了SVG三种运行模式的原理说明。

表1SVG的三种运行模式

2)SVG技术特点

传统的无功补偿装置通过调节电容或电感实现无功补偿，虽然应用广泛，但是存在谐振、响应时间慢等问题。

SVG是目前最为先进的无功补偿装置，它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，从而使无功补偿技术产生了质的飞跃：

(1)响应速度更快

SVG响应时间：≤5ms。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

(2)安全性更高

SVG运行时被控制为电流源，不存在与系统阻抗发生谐振的可能性，安全性更高。

(3)补偿功能多样化

使用同一套SVG装置，可以实现不同的多种补偿功能：补偿负载无功；补偿负载谐波；补偿负载不平衡；同时补偿负载无功、谐波和不平衡；

(4)谐波含量极低

SVG采用了PWM技术和多重化技术，与TCR型SVC相比，谐波含量极低，对电网不会产生二次污染。

(5)占地面积较小

SVG采用直接PWM电流控制技术，其输出电流波形和相位完全可控，SVG能够在额定感性到额定容性的范围内运行。由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积最大只有相同容量SVC的50％。

四川某钻井公司钻机用电网供电，经现场测试总电压谐波THDV＞28％，电网谐波电流THDI＞25％、系统功率因数在(0.37-0.57)，未投入该设备前，每月缴纳的无功罚款数在37万-55万。投入该设备后由于功率因素上升到0.9以上，每月的电费仅交有功计量费用。总电压谐波，总谐波电流值下降了16％左右，大大的提高了电能质量。

根据运行现场的运行情况，该装置对于负载快速波动的场合有很好跟踪效果。下表所示为补偿装置切除时电网侧无功功率、电流及功率因数变化曲线。

表2无功功率变化曲线

表3功率因数变化曲线

表4电流有效值变化曲线

由表2到表4可以看出，补偿装置停止运行后，各相无功功率由150kvar增至530kvar，功率因数由0.93降至0.55左右，电流有效值由1100A左右增至1900A左右。

通过实际研究，掌握了直流电动钻机无功的产生、构成和量的大小以及谐波畸变的成因和各次谐波的大小等特性，开展了无功补偿和谐波抑制技术方案的研究，设计并制造了1套样机投放现场试用，取得了良好的无功补偿与谐波抑制效果。主要成果如下

(1)、通过长时间的现场跟踪测试，掌握了直流电动钻机电气运行参数，功率因数范围为：0.3-0.8，平均功率因素＜0.55，实际发生的最大有功功率为2200KW，最大无功功率为2150KYAR，有近70％生产时间功率因数＜0.6；当用柴油发电机组供电，负载突变时频率变化范围在50Hz上下最大变化2Hz；系统总谐波电压畸变率在20％-28％，总谐波电流畸变率在20％-25％，极端情况总谐波电流最大值近600A；柴油发电机组供电与电网供电总谐波电流畸变率相当，总谐波电压畸变率相同情况下柴油发电机组供电略大于电网供电。

(2)、优选了直流电动钻机无功补偿和谐波抑制的技术方案.由于石油钻井平台电网谐波含量大，负载变化大，电流波动快，无功电流大，功率因数低，电流畸变率高，系统短路容量小，电压畸变率高，传统的无源无功补偿和谐波治理装置通过调节电容或电感实现无功补偿，虽然应用广泛，但是存在系统谐振、响应时间慢、元件故障率高(谐波环境)等诸多问题，在石油电动钻机配电系统中运用有其极大的安全风险。为此，通过反复的方案对比论证，本着技术先进可实施，安全可靠，对原系统设备无影响的原则，结合钻井队野外施工流动性大，频繁搬迁，维护不变的特点，最后优选了全有源谐波和无功动态补偿控制方案(APF+SVG)。

(3)、完成了有源谐波和无功动态补偿系统的理论设计，样机试制和现场实验。样机现场运行稳定，维护简单，功率因素达到0.9，总谐波电流畸变率下降50％以上。

实施例1

下面给出一组有源滤波和无功动态补偿装置，在不投入和投入运行，即补偿前后网侧电能状况的监测实际记录数据。

1)网侧视在功率

三相总视在功率；补偿前1765kVA，补偿后1042kVA。

2)有功功率

总有功功率补偿前951.9kW，补偿后978.4kW。

3)网侧无功功率

三相总无功功率补偿前1486.0kvar，补偿后357.7kvar。

4)cosΦ

A相补偿前cosΦ＝0.524(左下侧光标纵坐标值Y1：524)

A相补偿后cosΦ＝0.947(右上侧光标纵坐标值Y2：947)

B相补偿前cosΦ＝0.574(左下侧光标纵坐标值Y1：574)

B相补偿后cosΦ＝0.939(右上侧光标纵坐标值Y2：939)

C相补偿前cosΦ＝0.548(左下侧光标纵坐标值Y1：548)

C相补偿后cosΦ＝0.932(右上侧光标纵坐标值Y2：932)

5)PF

A相补偿前PF＝0.489(左下侧光标纵坐标值Y1：489)

A相补偿后PF＝0.854(右上侧光标纵坐标值Y2：854)

B相补偿前PF＝0.512(左下侧光标纵坐标值Y1：512)

B相补偿后PF＝0.820(右上侧光标纵坐标值Y2：820)

C相补偿前PF＝0.510(左下侧光标纵坐标值Y1：510)

C相补偿后PF＝0.851(右上侧光标纵坐标值Y2：851)

三相总PF：C相补偿前PF＝0.504；C相补偿后PF＝0.844

6)电流

A相补偿前1.928kA，补偿后1.081kA。

B相补偿前1.817kA，补偿后885.5A。

C相补偿前1.892kA，补偿后1.205kA。

7)电压

A相补偿前329.1V，补偿后359.8V。

B相补偿前330.3V，补偿后358.6V。

C相补偿前328.7V，补偿后359.2V。

8)谐波补偿前后FLUKE43B屏幕测试数据照片(未对无功基波补偿)

谐波补偿效果：总谐波电流畸变率(THDi)下降约：15％

从以上实验可以看出，投入无功补偿系统后，电网视在功率、无功功率、三相电流、谐波总含量等均有明显的下降，系统功率因数提高到了0.94，而总有功功率只增加了26.5KW，占总功率的2.78％。以上实验结果基本满足项目预期要求。

实施例2

无功补偿和谐波抑制装置在样机试制完成后，在重庆钻井公司井队进行了工业性试验，试验主要在网电供电的情况下进行，在柴油发电机组供电环境下，完成了有源滤波和无功动态补偿装置在各种工况下的技术指标和性能试验。

下面我们依据现场实际情况和测试数据及设备厂商提供的数据进行经济性分析：

(1)经济性分析依据的基本数据

(a)CAT3512B型柴油发电机组技术参数：S＝1771kVA，P＝1240Kw，COSα＝0.7；ZJ70-4500D  钻机一般配3-4台柴油发电机组；

(b)CAT3512B柴油发电机组功率和油耗特性对照表

(c)现场发电机组使用情况：未使用无功补偿和谐波抑制装置前功率因数范围为：0.3-0.8，平均功率因素约0.5，由于功率因素低，无功电流大，造成发电机发热严重，现场情况是单发电机组使用时负载能力700Kw左右；当负荷超过700KW(有时甚至500KW)时，现场常常都是启动两台发电机组供电。

(2)谐波抑制和无功补偿谐波抑制装置投入使用后的经济效益

(a)功率因素提升到＞0.9以后，单发电机组负载能力将达1116Kw以上，负载能力提高了416kw；有功负载能力提高了近60％，两台发电机组的负载能力可提高了832kw以上，等效不补偿的3台发电机组。因此在钻机配套时可少购置1台CAT3512B型柴油发电机组，减少固定资产的投入，市场价值约360万元，若按10年折旧120个月计算，每月还可减少3万元的设备折旧费。

(b)减少了发电机组的使用数量，从而减少了柴油消耗。节油情况分析如下。

在未进行无功补偿时，由于当负载大于700KW时，即需新增开动1台CAT3512B型柴油发电机组并列运行，此时2台柴油发电机组有功负载均为350KW(以700Kw计算)，对应查出油耗约为234.51g/KW.h；使用无功补偿后，因功率因素提高到0.9，发电机组的负载能力提高，当只须使用一台发电机组时，负载＞700Kw时，对应的油耗约为209.82g/KW.h，由此算出使用无功补偿前后油耗差为24.69g/KW.h。因此使用1天可节油24.69×700×24/1000＝415kg。

经现场试验检测，卡特3512B柴油发电机组在额定转速1500rpm空载运转时实测消耗柴油24.9kg/h，由此可见多开动一台柴油发电机组，即使不带负载每小时也要消耗24.9kg柴油，一天耗油598kg。

以上合计每天可节油1013kg，柴油按6.5元/kg计算，每天可减少6584.50元的柴油费用支出，每月可产生19.7万元的直接经济效益。

使用无功补偿和谐波抑制装置后减少了柴油发电机组的起动数量，因而减少了柴油机发电机组的维护保养工作量，润滑油与零配件的消耗量，降低了柴油发电机组磨损，延长了设备的使用寿命，经统计经济效益如下：

(1)少使用发电机组，设备大修费用减少6048元/月；

CAT3512B柴油发电机组的大修周期为30000小时，大修费用一般在36万元左右，平均每运行1小时的大修费用为12元。每台车每年开动时间约为6048＝24×30×12×0.7(小时)，因此每年节约大修费约为72576元，平均每月为6048元。

(2)少使用发电机组，少更换润滑油约4646元/月；

CAT3512B柴油发电机组润滑油更换周期为250小时，每年需更换24.2次，每次180升，共需润滑油4356升，CAT发电机组润滑油市价约12.8元/升，因此润滑油可节约12.8×4356/12＝4646元/月

(3)使用发电机组，减少零配件消耗(主要为机油、柴油、空气滤芯、冷却液及其它维护费用)2100元/月。

以上合计12794元/月

综合以上经济分析可知，在使用柴油发电机组供电环境下使用无功补偿和谐波抑制装置，每月可产生约23.8万元的经济效益。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，该系统包括：SCR控制房（2）、网电配电房（3）或发电机组（4），所述的网电配电房（3）或发电机组（4）的输出电缆分别连接到切换柜（5）的两组进线端，在所述的切换柜（5）与SCR控制房（2）之间的电缆上设置电流互感器（CT），或者，在所述的发电机组（4）与SCR控制房（2）之间的电缆上设置电流互感器（CT），

其特征在于：在SCR控制房（2）与网电配电房（3）之间或者SCR控制房（2）与一组发电机（4）之间设有全有源谐波抑制及无功动态补偿控制站（1）；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站（1）开设有进出线窗口（11），所述的SCR控制房（2）开设有进线口（21），全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站（1）通过动力电缆（13）穿过进出线窗口（11）、进线口（21）与SCR控制房（2）内的设备相连；所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站（1）通过信号电缆（14）穿过进出线窗口（11）与电流互感器（CT）相连；所述的切换柜（5）和电流互感器（CT）通过动力电缆、穿过进线口（21）与SCR控制房（2）相连。

2. 根据权利要求1所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：

所述的全有源动态谐波抑制及无功补偿控制站（1）包括：开关监控柜（10）、空调（12）、有源动态谐波抑制滤波柜（APF）以及有源动态无功补偿控制柜（SVG）；

所述的发电机组（4）通过开关（K）与开关监控柜（10）的供电端相连，发电机组（4）通过电流互感器(CT)与开关监控柜（10）的信号接收端相连，所述的开关监控柜（10）供电输出端通过主母排、开关（K）将有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）并联连接；

所述的电流互感器（CT）将采样的信号，传输到开关监控柜（10）、有源动态谐波抑制滤波柜（APF）、有源动态无功补偿控制柜（SVG），该信号是串联的；所有有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）的一次线路均由铜排连接到主母排上；

在所述的进出线窗口（11）内设置有防爆连接器，所述的SCR控制房（2）包括负载（SCR）。

3.根据权利要求2所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：

所述的开关监控柜（10）采用机械电子连锁控制系统，所述的有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）之间通过一次线路无电缆铜排连接；

所述的负载（SCR）采用直流调速装置驱动石油钻井现场的大功率设备为主。

4.根据权利要求2所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：该系统还设置有空调机组（12）、风道（15）、机械活动拉手（16），所述的风道（15）设置在空调机组（12）的一侧，空调机组（12）分为室内机和室外机，室内机又分为第一空调机和第二空调机，风道（15）包括两侧进风管和底部进风管构成的3风道系统，所述的机械活动拉手（16）连接一用来控制第一空调机和第二空调机的开关状态的蝶阀。

5.根据权利要求2所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：

所述的电流互感器（CT）将采样信号集成到开关监控柜（10），所述的有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）的电流互感器（CT）信号从开关监控柜（10）中分出来，串联到各个有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG），电流互感器（CT）为模拟量信号，该信号从各个有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）集成到开关监控柜（10），所述的有源动态谐波抑制滤波柜（APF）与有源动态无功补偿控制柜（SVG）通过RS485通讯线将信号集成到开关监控柜（10）。

6.根据权利要求2所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：

有源动态谐波抑制滤波柜（APF）包括：进线电抗器（L），PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器（CT），该电流互感器（CT）设置在进线电抗器（L）与主母排之间，进线电抗器（L）连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上；

从电流互感器（CT）获得采样信号，传输到指令电流计算的系统，进行数据的分析，计算，从而给对应的PWM电流跟踪的控制驱动电路信号，从而驱动IGBT的导通角，输出滤除电网谐波与无功功率的电流，经过电抗器（L）后输出到主母排；并对IGBT的输出电流用电流互感器（CT）取样，反馈到PWM电流跟踪的控制驱动电路上形成闭环。

7.根据权利要求2所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：

有源动态无功补偿控制柜（SVG）包括：进线电抗器（L），PWM电流跟踪控制驱动电路，IGBT电路，一组电流互感器（CT），该电流互感器（CT）设置在进线电抗器（L）与主母排之间，进线电抗器（L）连接到一个小型断路器上，再由小型断路器的出线铜排并联到全有源动态谐波抑制及无功补偿房的主母排上。

8.根据权利要求2或6或7所述的直流电动钻机全有源动态谐波抑制及无功补偿系统，其特征在于：所述的主母排为600V母线，网电配电房（3）或发电机组（4）通过切换柜的双投开关投入600V母线；有源动态谐波抑制滤波柜（APF）和有源动态无功补偿控制柜（SVG）通过铜排连接到开关监控柜（10）的智能开关投入600V母线；负载（SCR）用电系统直接投入600V母线。

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