[发明专利]一种电动钻机用APF与TSF混合型补偿装置

说明书

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                                                主导次谐波电流为自然数，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0.92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1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经耦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一起配合工作，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。