专利名称：一种电动钻机用apf与tsf混合型补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合型动态无功补偿装置，尤其是一种适用于井场电能质量治理的新型的防谐振的有源滤波器与晶闸管投切电容器的混合型补偿装置。
背景技术：
为提高采油的自动化与智能化，电动钻机在油田行业中的应用日益普及；目前在石油钻井行业中，电动钻机分为AC-SCR-DC类型的直流电驱动钻机和AC-VFD-AC交流变频电驱动钻机两种；两种电驱动钻机都存在谐波电流大、功率因数低及三相不平衡现象；其中，目前的焦点是谐波问题和功率因数低问题。由于无论AC-SCR-DC类型的直流电驱动电机或是AC-VFD-AC交流变频电驱动电机，其电动力系统中均包含三相整流桥，这样导致井场中流动着大量的 et±i主导次谐波电流Jt为自然数，为防止谐波电流流入电网对电网构成污染，一种简单有效的补偿装置是晶闸管投切滤波器TSFThyristor Switched Filter ;TSF是将电容器和电抗器调配成在某次谐波谐振的状态，来完成滤除谐波的目的，一般TSF常被设计为不少于三组的调谐于5次或7次或11次的滤波器并联的形式；当TSF的各分组容量选择合适时， 能保证井场的功率因数处于O. 92以上；当TSF控制得当时，其具有无冲击投切、相应速度快、补偿容量大及滤波效果好的特点；即TSF可较好的满足井场的无功补偿和谐波抑制的任务；TSF型补偿装置是当今用于井场无功补偿和谐波抑制工作的主导设备，但由于其工作是仅是根据井场的无功需求判断和投入TSF应投切组合，而没有考虑到井场谐波非线性负载产生的谐波电流在井场供电系统和滤波器之间的分配关系；此外，井场诸如绞车、泥浆泵等设备在运行时还会产生除主导次谐波以外的其它次谐波电流，而高次滤波器组对流经的低次谐波电流呈现容性，这样就可能导致滤波器组工作时，将某次谐波电流放大；某次谐波电流被放大后，最好的可能是滤波器组检测保护模块动作，将该次滤波支路触发信号封锁，这样将导致TSF容量得不到有效的利用；其次可能滤波器组的检测保护模块没有动作， 导致滤波支路的电容器或电抗器被烧坏，使硬件成本增加及TSF不能可靠的完成井场补偿工作；最坏的可能是将井场的供电系统摧毁，这带来的损失往往是不可估计的。根据谐波电流放大的根本原因——投入的高次滤波器组对流经的低次谐波电流显容性，当TSF被设计为5次、7次及11次并联的形式时，其可能与电网发生谐振的次数为 2 10次。在现有技术当中，与本专利申请的相关内容主要有以下几份文献。文献一为由西安宝美电气工业有限公司于2008年8月22日申请，2009年5月20 日公开的，公开号为CN201243204的中国发明专利申请公开文件，电动钻机专用无功补偿和谐波抑制装置较为系统的介绍一种由三组分别滤除5次、7次和高次谐波的固定滤波器组和一组晶闸管控制的电感TCRThyristor Controlled Reactor,晶闸管控制电抗器组成的静止无功补偿装置，如图I所示，该装置中利用晶闸管控制电抗器TCR来实现动态无功补偿的目的，进而提高井场的功率因数，但TCR工作时产生谐波，且该装置工作时可能与电网发生谐波现象。文献二为由湖南大学于2005年5月27日申请，2006年7月12日公开的，公开号为CN2796213的中国发明专利，混合型大功率有源滤波器具体介绍了一种将电力有源滤波器APFActive Power Filter经稱合变压器与固定电容器组的基波串联谐振模块相并联的结构，如图2所示；该结构的混合型补偿装置可克服APF容量大及成本高的缺点，但与APF 耦合的滤波器属固定电容组，导致其在动态补偿工作时，需一晶闸管控制电抗器TCR—起配合工作，而这种补偿装置在空载运行时，TCR运行在额定电流，空载损耗大；此外，由于基波谐振电路的引入，使APF直流侧电容不再与电网存在基波能量的交换，造成直流侧电压的不易控制。文献三为由湖南大学于2006年7月31日申请的2007年7月25日公开的，公开号为CN2927445的中国发明专利，谐波注入式混合型有源电力滤波器，具体介绍了一种由几组调谐于不同频率的无源滤波器组和一组有源滤波器组成，而有源滤波器通过耦合变压器与其中一次滤波支路的基波谐振模块相并联的结构，如图3所示。该结构可使APF承担近似为零的基波电压，易于减小APF的容量和成本，但由于电容器组的不可投切性，使其不适合用于像电动钻机这种负荷波动剧烈的动态补偿，同时对于这种谐波注入式混合型有源电力滤波器的APF直流侧的电压控制没有给出一解决方案。文献四为由湖南大学于2007年12月19日申请，2008年6月18日公开的，公开号为CN101202448的中国发明专利，基于APF与SVC的谐波和无功综合补偿系统及其分频分相控制方法，具体介绍了一种利用机械投切电容MSCMechanically Switched Capacitor, 机械投切电容器、单独谐振注入式有源滤波器APFActive Power Filter和晶闸管控制电抗器TCR相结合，而MSC，TCR及APF与之耦合的FCFixed Capacitor,固定电容器组部分构成SVCStatic Var Compensator,静止无功发生器进行无功和谐波补偿,而APF配合FC进行改善装置的滤波效果的补偿系统及使用其的分频分相的控制方法，如图4所示；该系统及控制方法中是采用MSC和TCR完成动态无功补偿的，而TCR的响应时间为6(Tl00ms，这种速度对电压的抑制效果较差，而且这种MSC、注入式APF及TCR相结合的结果比较复杂，不适合用于井场这种负荷结构简单的补偿系统。文献五为谭甜源，罗安，唐欣，涂春明发表在2004年第3期《中国电机工程学报》 上的论文《大功率并联混合型有源有源电力滤波器的研制》主要公开了当忽略电网侧电压畸变时的，并联型混合型有源滤波器的单相等效电路，及根据电路的基尔霍夫电压定律KVL
与基尔霍夫电流定律KCL推导出APF的单相输出电压控制为&时，电源侧Ji次谐波电流与非线性负载产生的A次谐波电流幅值的关系，其中L为电源侧的A次谐波电流信号；但
是，它没有给出控制时值的选取原则；此外，该文献中的谐波电流数据选为除基波电流外的其余次所有谐波的总和，该方法对谐波电流的检测较为简便，但当供电电网侧(的)存在谐波电压时，而APF通过耦合变压器承担基波串联谐振模块分得的谐波电压，而流入APF 的所有次谐波电流与其对应的谐波电压相乘，这样导致APF与供电系统间存在一值为所有次谐波能量加和的能量交换，不容易控制APF直流侧的电压。文献六为刘定国，罗安，帅智康发表在2008年第30期《中国电机工程学报》上的论文《注入式混合型有源滤波器直流侧电压控制新问题及其解决方案》，主要说明了注入式混合型有源滤波器在工作时，其直流侧电压不能向并联有源逆变器通过对逆变器基波有功电流的闭环控制来实现；同时说明导致直流侧电压不稳定的因素是APF模块的开关损耗、线路损耗及APF与电网之间交换的谐波有功能量；该文献提出通过滤波器结构选择、优化注入支路参数及直流侧采用PWM可控整理电路等方法来保证直流侧电压的稳定，如图5所示， 该方法保留了在外部添加可控整流电路来维持直流侧电压的稳定，这将导致补偿装置的复杂性及装置的成本。因此，为了满足井场电能质量改善和电气节能的迫切需求，研究一种既能对井场电压闪变、功率因数进行补偿，又能安全、可靠、有效的抑制注入井场电力系统谐波电流的低成本的补偿装置有着较大的实用意义和市场价值。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足而提供一种电动钻机用TSF与APF混合型补偿装置，该装置有效防止TSF组合工作时对井场谐波电流放大的现象，可将井场非线性负载向井场供电系统注入的2 10次谐波电流幅值控制在一给定值内，同时采用注入式结构使APF的容量大大减小。本发明所采用的技术方案有一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，包括无源部分、有源部分、井场和补偿装置的电量数据采集模块、晶闸管投切滤波器TSF的控制模块和电力有源滤波器APF的控制模块。其中所述的无源部分为晶闸管投切滤波器TSF，它由四组角形连接的L、C滤波器组成，其中两组调谐于五次谐波，一组调谐于七次谐波，一组调谐于十一次谐波，通过反并联的晶闸管阀并联于井场10000/600主变压器副边或井场发电机的出口侧；所述的有源部
分为APF，其输出通过A、C0滤波后，通过三相耦合变压器与TSF的一组五次滤波支路的串
联谐振模块相并联，其中耦合变压器的变比为2:1 ;所述的井场和补偿装置的电量
数据采集模块包括井场非线性负荷侧三相电流检测模块，井场600/380V原边三相电流检测模块，井场总负载三相电流检测模块，补偿装置第一组五次滤波支路三相电流检测模块， 井场第二组五次滤波支路三相电流检测模块，井场七次滤波支路三相电流检测模块，井场十一次滤波支路三相电流检测模块，井场600V母线处三相电压检测模块，第一组五次滤波支路三相基波串联谐振单元的电压检测模块和井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块；所述的晶闸管投切滤波器TSF的控制模块包括井场无功需求的计算模块和TSF的投切判断模块；所述的电力有源滤波器APF的控制和检测模块包括井场电源侧2 10次谐波电流幅值给定模块，APF等效阻抗的计算模块，APF三相输出电压给定信号的计算模块，APF 三相输出电压的检测模块及APF三相输出电压的PI调节模块。所述的井场和补偿装置的电量数据采集模块的井场600/380V原边三相电流检测模块、补偿装置第一组五次滤波支路三相电流检测模块、井场第二组五次滤波支路三相电流检测模块、井场七次滤波支路三相电流检测模块和井场十一次滤波支路三相电流检测模块的信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片，同时将同时刻井场600V母线处三相电压检测模块的信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片，在DSP内部经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法计算出各模块的基波和二次谐波信号值，从而计算得到第一组五次滤波支路的单相基波阻抗值Zm ,第二组五次滤波支路的单相基波阻抗值Z531，七次滤波支路单相基波阻抗值右1，十一次滤波支路单相及波阻抗值及井场生活用电负荷对应的基波单
相阻抗值2*_ ，上述操作只在相应模块投入工作时，采集一次，一旦计算得到相应数值，再
计算得到对应阻抗的2 10次谐波阻抗值，将各模块的2 10次谐波阻抗值存于DSP芯片的 RAM中；将井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块检测的电流信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片，同时将井场600V母线处三相电压检测模块检测的电压信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片内，在DSP内部经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法计算
出同相电压信号和电流信号的2次、及3次信号Ka2、Uis、k及&，从而计算出井场供电系
统基波系统阻抗值进而计算得到疒10次系统阻抗值Zie2 Z3iie，并将该值存于DSP 芯片的RAM中。所述的井场总负载三相电流检测模块及井场600V母线处三相电压检测模块检测出的电量信号经井场无功需求计算模块计算得出当前井场无功需求，再结合各组滤波器的容量，经过TSF的投切判断模块，判断出需投入的滤波器组合，得到各组TSF的投切信号。所述的井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块检测的三相电流信号经 A/D采样后输入到DSP控制芯片，同时将井场600V母线处三相电压检测模块检测的单相电压信号经A/D转换后输入到DSP控制芯片，在其内通过基于瞬时无功功率的分频谐波检测
算法计算出井场电源侧单相电流的2 10次谐波电流信号^ ;同样操作检测出经常非线性负载对应相产生的2 10次谐波电流信号,将信号k 的幅值与井场电
源侧2 10次谐波电流幅值给定模块的对应给定值比较，同时结合信号-及井场和补
偿装置的电量数据采集模块中计算出存储在DSP芯片RAM中的各模块的2 10次谐波阻抗数据，经APF等效阻抗的APF等效阻抗的计算模块计算出APF的等效阻抗值K ;将第一组五次滤波支路三相基波串联谐振单元的电压检测模块检测的三相电压信号结合井场600V母线处三相电压检测模块检测的单相电压信号经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法
检测出该电压信号的2 10次谐波电压信号V31 ，将信号V2 -Vm结合信号ijjB -IjJSi0及
APF的等效阻抗值K，经APF三相输出电压给定信号的计算模块得到APF三相电压给定信号
C、》4及*4 ;将信号、*4及》4与apf三相输出电压的检测模块检测到的三相输出电
压信号对应作差后，经APF三相输出电压的PI调节模块输出三相调制波，将三
相调制波与固定的三角波进行比较产生触发脉冲触发APF中的开关信号。所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置中APF通过耦合变压器与TSF 中的容量小的五次滤波支路的基波谐振模块相并联，而TSF的投切原则是先投低次后投入高次，装置一旦工作，与APF耦合的滤波支路一定工作从而使APF可一直工作，同时装置中含有TSF投切组合变化判断模块，计时单元及APF触发信号的封锁单元，当TSF的投切组合发生变化时，计时单元启动，计时长度为2(T30ms，在计时过程中，封锁单元有效，使APF停止工作，一旦计时结束，封锁失效，APF正常工作。所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置中的电力有源滤波器APF的控制和检测模块中的APF等效阻抗计算模块的A相等效阻抗值K的计算流程如下
将A相谐波电流信号幅值与井场电源侧2 10次谐波电流给定模块给定的各
次谐波电流限值相比较，判断出当前越限的谐波电流次数，将当前越限的所有次谐波电流各经如下操作结合当前投入的滤波器组合，存储在DSP芯片RAM中的各滤波支
路及井场生活用电的2 10次谐波阻抗数据及2 10次谐波电流信号按算式
权利要求
1.一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于包括无源部分、有源部分、井场和补偿装置的电量数据采集模块、晶闸管投切滤波器TSF的控制模块和电力有源滤波器APF的控制模块。
2.根据权利要求I所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于 无源部分为晶闸管投切滤波器TSF，它由四组角形连接的L、C滤波器组成，其中两组调谐于五次谐波，一组调谐于七次谐波，一组调谐于十一次谐波，通过反并联的晶闸管阀并联于井场10000/600主变压器副边或井场发电机的出口侧；有源部分为APF，其输出通过Ln、C0滤波后，通过三相耦合变压器与TSF的一组五次滤波支路的串联谐振模块i^、C51,相并联，其中耦合变压器的变比为2:1 ;井场和补偿装置的电量数据采集模块包括井场非线性负荷侧三相电流检测模块，井场600/380V原边三相电流检测模块，井场总负载三相电流检测模块，补偿装置第一组五次滤波支路三相电流检测模块，井场第二组五次滤波支路三相电流检测模块，井场七次滤波支路三相电流检测模块，井场十一次滤波支路三相电流检测模块，井场600V母线处三相电压检测模块，第一组五次滤波支路三相基波串联谐振单元的电压检测模块和井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块；晶闸管投切滤波器TSF的控制模块包括井场无功需求的计算模块和TSF的投切判断模块；电力有源滤波器 APF的控制和检测模块包括井场电源侧2 10次谐波电流幅值给定模块，APF等效阻抗的计算模块，APF三相输出电压给定信号的计算模块，APF三相输出电压的检测模块及APF三相输出电压的PI调节模块。
3.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于井场和补偿装置的电量数据采集模块的井场600/380V原边三相电流检测模块、补偿装置第一组五次滤波支路三相电流检测模块、井场第二组五次滤波支路三相电流检测模块、 井场七次滤波支路三相电流检测模块和井场十一次滤波支路三相电流检测模块的信号经 A/D变换后输入到DSP控制芯片，同时将同时刻井场600V母线处三相电压检测模块的信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片，在DSP内部经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法计算出各模块的基波和二次谐波信号值，从而计算得到第一组五次滤波支路的单相基波阻抗值Z5 ,第二组五次滤波支路的单相基波阻抗值七次滤波支路单相基波阻抗值2 ，十一次滤波支路单相及波阻抗值Zm及井场生活用电负荷对应的基波单相阻抗值Zirf，上述操作只在相应模块投入工作时，采集一次，一旦计算得到相应数值，再计算得到对应阻抗的2 10次谐波阻抗值，将各模块的2 10次谐波阻抗值存于DSP芯片的RAM中； 将井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块检测的电流信号经A/D变换后输入到 DSP控制芯片，同时将井场600V母线处三相电压检测模块检测的电压信号经A/D变换后输入到DSP控制芯片内，在DSP内部经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法计算出同相电压信号和电流信号的2次、及3次信号Ri述，从而计算出井场供电系统基波系统阻抗值&，进而计算得到2 10次系统阻抗值& &，并将该值存于DSP芯片的 RAM 中。
4.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于井场总负载三相电流检测模块及井场600V母线处三相电压检测模块检测出的电量信号经井场无功需求计算模块计算得出当前井场无功需求，再结合各组滤波器的容量，经过 TSF的投切判断模块，判断出需投入的滤波器组合，得到各组TSF的投切信号。
5.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于井场10000/600V主变压器副边三相电流检测模块检测的三相电流信号经A/D采样后输入到DSP控制芯片，同时将井场600V母线处三相电压检测模块检测的单相电压信号经A/D 转换后输入到DSP控制芯片，在其内通过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法计算出井场电源侧单相电流的2 10次谐波电流信号;同样操作检测出经常非线性负载对应相产生的2 10次谐波电流信号，将信号^ 的幅值与井场电源侧2 10次谐波电流幅值给定模块的对应给定值比较，同时结合信号及井场和补偿装置的电量数据采集模块中计算出存储在DSP芯片RAM中的各模块的2 10次谐波阻抗数据，经APF 等效阻抗的APF等效阻抗的计算模块计算出APF的等效阻抗值K ;将第一组五次滤波支路三相基波串联谐振单元的电压检测模块检测的三相电压信号结合井场600V母线处三相电压检测模块检测的单相电压信号经过基于瞬时无功功率的分频谐波检测算法检测出该电压信号的2 10次谐波电压信号巧，将信号h - 结合信号^ 及APF的等效阻抗值K，经APF三相输出电压给定信号的计算模块得到APF三相电压给定信号*4、*4及*4;将信号) 及1iOC与APF三相输出电压的检测模块检测到的三相输出电压信号《(B、: 為对应作差后，经APF三相输出电压的PI调节模块输出三相调制波，将三相调制波与固定的三角波进行比较产生触发脉冲触发APF中的开关信号。
6.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置中APF通过耦合变压器与TSF中的容量小的五次滤波支路的基波谐振模块相并联，而TSF的投切原则是先投低次后投入高次，装置一旦工作，与APF耦合的滤波支路一定工作从而使APF可一直工作，同时装置中含有TSF投切组合变化判断模块，计时单元及APF触发信号的封锁单元，当TSF的投切组合发生变化时，计时单元启动，计时长度为2(T30ms，在计时过程中，封锁单元有效，使APF停止工作，一旦计时结束，封锁失效，APF正常工作。
7.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置中的电力有源滤波器APF的控制和检测模块中的APF等效阻抗计算模块的A相等效阻抗值K的计算流程如下将A相谐波电流信号^ 幅值与井场电源侧2 10次谐波电流给定模块给定的各次谐波电流限值相比较，判断出当前越限的谐波电流次数，将当前越限的所有次谐波电流各经如下操作结合当前投入的滤波器组合，存储在DSP芯片RAM中的各滤波支路及井场生活用电的2 10次谐波阻抗数据及疒 ο次谐波电流信号；.，按算式7
8.根据权利要求I和2所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，其特征在于所述的一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置中的电力有源滤波器APF的控制和检测模块中的APF三相输出电压给定信号的计算模块的a相电压给定信号的计算流程如下将a相的谐波电流信号ijH -ijejo (除*_β)与a相的谐波电压信号Vfi3 ~v_对应次信号相乘并求积分和，计算得到APF与井场供电系统交换的有功功率的代数和JPm，将其值加上一个对应开挂损耗及线路损耗有功的值I的三分之一，将加和取负后除以当前谐波电压五次谐波电压信号1 的有效值的平方，得到值#用#乘以信号％5同时加谐波电流信号i盤，将加和信号乘以APF等效阻抗计算模块计算得的APF等效阻抗值[，乘积即为APF三相输出电压中的a相的给定信号Uta。
全文摘要
本发明公开了一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置，包括无源部分、有源部分、井场和补偿装置的电量数据采集模块、晶闸管投切滤波器TSF的控制模块和电力有源滤波器APF的控制模块，利用APF改善TSF的滤波特性，使TSF组合工作时，向井场供电系统注入的2~10次谐波电流控制在给定值内，防止TSF不同滤波支路组合投切时对井场谐波电流的放大；APF通过耦合变压器与TSF五次滤波支路的基波谐振模块并联的结构，使APF的容量很小，进而利于对其控制和降低整套装置的成本，有效解决TSF组合投切时的存在的谐波电流放大的问题，进而可更安全、更有效的完成井场无功补偿及谐波治理的任务。
文档编号H02J3/01GK102593848SQ201210068168
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者刘盟, 姚建青, 张永平, 徐峻涛, 路茂增, 韩长忠, 马西庚 申请人:东营爱特机电技术有限责任公司