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NANCAL有源滤波器在海洋钻井平台的应用

NANCAL有源滤波器在海洋钻井平台的应用

摘要:本文介绍NANCAL有源滤波器在海洋钻井平台的应用。该有源滤波器主要用于消除钻井模块主要设备配套变频器产生的谐波,同时具备治理三相不平衡及补偿无功的功能。

关键字:海洋钻井平台、有源滤波器
 

1 引言

随着电力电子设备的普及应用,由非线性负载引起的谐波污染、电网功率因数降低、三相不平衡等电能质量问题也得到越来越多用户的关注。对于谐波和功率因数问题,过去通常采用无源滤波装置来治理。无源滤波装置会占用较大的安装空间,这点对海洋平台尤其重要,且电容投切补偿响应慢,补偿不连续,存在过补偿和谐振的风险。

有源滤波器(APF:Active Power Filter),是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。

有源滤波器原理

有源滤波器不会出现过补偿和谐振问题,且体积小,方便扩容,尤其适合海洋平台应用。

本文主要介绍上海能传电气有限公司的有源滤波器在蓬莱19-9WHPJ海洋钻井平台的应用情况。

蓬莱19-9WHPJ平台
 

2 公司简介

能科节能技术股份有限公司总部位于北京,上交所主板上市公司,股票代码603859。主要业务包括:电气传动及系统集成、新能源和智能制造。

上海能传电气有限公司是能科股份控股子公司。公司专业从事高压变频器、低压工程型变频器、岸电电源、有源滤波器、静止无功发生器等电力电子产品的研发、生产、销售和服务。公司主要研发骨干均为电力电子和电气传动专业研发人员,为国内较早从事变频器及电能质量产品研究的团队,具有罗宾康、西门子、GE等公司多年经验,曾主导参与了国家能源局组织的西气东输20MW级电驱压缩机组变频装置国产化研制项目,核心研发人员获2015年中国机械工业科学技术特等奖。
 

3 NANCAL有源滤波器简介

NANCAL有源滤波器采用三电平拓扑结构,采用国际主流品牌IGBT、美国TI公司DSP芯片、国内知名品牌的电容、电抗等器件;软件方面采用先进的谐波、无功提取算法和快速电流闭环控制技术,实现精确补偿和快速响应,具备自动限幅和谐振回避功能,配备智能调速风机,独立风道设计,确保设备在极端条件下可靠高效运行。具有以下特点:

  1. 模块化设计
  2. DSP+FPGA全数字架构
  3. 全补偿或2-61次谐波任意选定补偿
  4. 97%谐波消除率
  5. 有源滤波、无功补偿、三相不平衡补偿
  6. 三相三线、三相四线兼容
  7. 过压、过流、过载等多种保护
  8. 以太网、RS485等多种通讯方式
  9. 自动休眠/唤醒

有源滤波器组成
 

4 海洋钻井平台对有源滤波器的特殊要求

海洋钻井平台在防护等级、设备体积、冷却方式、安全等方面对设备有特殊要求:

  1. 设备需要考虑三防处理,以应对盐雾腐蚀的影响。
  2. 从消防角度考虑,所有电缆必须采用低烟无卤电缆。
  3. 平台上的空间昂贵,无论是生活区还是作业区都对空间要求非常高,所以单台柜体宽度要求为宽度600mm深度800mm高度2200mm以内。
  4. 由于海上平台工作环境的限制,设备运行、监控主要依靠通讯实现自动化,设备必须支持DP、CAN和以太网通讯等主流通讯协议。
上海能传电气的有源滤波器在硬件和软件进行了充分考虑,确保装置能在海洋平台环境长期可靠运行。

有源滤波器现场照片
 

5 NANCAL有源滤波器在蓬莱平台上的应用

蓬莱海洋钻井平台钻井模块上的主要设备有泥浆泵、绞车、顶驱等,均为交流变频驱动方式。变频器采用常规的六脉波二极管整流方案,会产生大量的谐波,主要集中在6n±1次。这些谐波严重影响用电设备的安全:造成电网电压严重畸变;系统功率因数降低;电缆和变压器过热,绝缘老化加速;仪表误动作导致供电中断等,进而影响到整个平台电力系统的稳定性和安全性。

 有源滤波器投入运行前波形(红色:APF电流 绿色:电源侧电流)
 

通过实际检测,在高压大排量工况下,7台变频器(6台600kW+1台920kW)所产生的总谐波电流为581A;在高钻进工况下,总谐波电流为594A。以高钻进工况下的594A谐波电流为基准选择有源滤波器,确定配置额定电流为600A的有源滤波器。


有源滤波器投入运行后波形(红色:APF电流 绿色:电源侧电流)

有源滤波器投入运行后,总谐波电流失真从27。3%降到3。8%,满足相关标准对谐波失真的要求。

  

6 结束语

NANCAL有源滤波器在海洋平台实现成功应用,有效治理了钻机变频驱动装置产生的谐波。有源滤波器体积小,可靠性高,调试方便,并且能满足海洋钻井平台的特殊要求,和常规的无源补偿装置相比,具有很大的优越性。