石油电动钻机井场电网有源电力滤波器的改进研究.pdf
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1、2 0 1 4年 3月 第 2 9卷第 2 期 西安石油大学学报( 自然科学版) J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) Ma r 201 4 V o I 2 9 No 2 文章编号 : 1 6 7 3 - 0 6 4 X( 2 0 1 4 ) 0 2 -00 6 6 -04 石油 电动钻机井场 电网有源 电力 滤波器 的改进研究 李 琳 , 孟庆龙 , 张栋栋 , 徐 红 ( 1 西安石油大学 陕西省钻机控制技术重点实验室 ,
2、 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ; 2 川庆钻探工程有限公司 长庆井下技术作业公司 咸阳川庆鑫源工程技术有限公司, 陕西 咸阳 7 1 0 0 2 1 ) 摘要: 针对电压波形畸变严重的石油电动钻机井场电网, 提 出了一种并联型有源电力滤波器 ( P A P F ) 的改进方法, 采用直接功率控制( D P C ) 中的滞环控制方法和带基 波提取及周期平均值滤波 器( C MF ) 的改进 dp检测方法提 高井场 电网性能。仿真 实验 结果表 明, 改进的 P A P F可 以有效 抑制井场电网的无功和谐波, 具有更好的动态性能。 关键词 : 井场电网; 并联型有源电力滤波器; 周期平均
3、值滤波器; 功率滞环控制 中图分类号 : T E 2 4 2 ; T N 7 1 3 8 文献标识码 : A 石油电动钻机井场 电网( 简称井场电网) 中存 在较为严重 的无功 和谐 波问题_ 1 , 对井场 电网电 力系统造成严重的谐波污染 , 影响供 电质量 , 危及动 力系统的安全、 经济运行。通常采用并联型有源电 力滤波器 ( P A P F ) 来抑 制无功和谐 波 。经典 的 P A P F通常采用直接电流控制方法 , 并且采用 F 丌 、 一 B 、 Pq 、 dq等检测方法 。 仅一p方法计算简单 , 原理易懂 , 实时性好 , 但在 电压畸变严重时不能准确检测出无功和谐波 ;
4、 Pq 方法和 d q方法可以在 电压畸变时准确检测 出无 功和谐波 , 但较为复杂。为此 , 本文提出了一种带基 波提取和周期平均值滤波器的改进的 O t B检测方 法。直接电流控制需要 逆变换计算 电流信号 , 导致 计算量较大, 针对这一问题, 提出了一种基于直接功 率控制( D P C ) 的滞 环控制方法。仿真实验结果 表 明, 改进的 P A P F能更有效地抑制 井场电网的无功 和谐波。 1 改进的 P AP F检测原理 对某井场电网的实测结果表明井场电网中三相 电压基本平衡 , 电压波形存 在明显畸变 ” 。本 文 提出了一种带基波提取和周期平均值滤波器的改进 的 一B检测方法
5、 , 其原理如图 1 。 计 算 型 + 瞬 时 功率 P 、 r ) Q L _Q n Q c 图 1 谐波和无功功 率检测原 理框 图 Fi g 1 Bl o c k di a g r a m f o r d e s c r i bi n g h a r mo n i c s a n d r e a c t i v e p o we r de t e c t i o n p r i n c i p l e 图 1中, U 为井场电网电压 , , h 为负载电流 , P 、 Q 为待补偿有功和无功。 1 1 电压基波提取 根据瞬时功率理论, 在电压畸变严重时, 可以先 提取电压基波。假设 井
6、场 电网电压基波 的正 序分 量为 : 收稿日期: 2 0 1 3 1 0 - 2 7 基金项目: 陕西省科技攻关项 目“ 电动钻机动力系统动态补偿技术的开发” ( 编号: 2 0 1 0 k O 1 1 0 7 ) 作者简介: 李琳( 1 9 6 3 一 ) , 男, 教授 , 从事电动钻机电气控制系统的研究。E - m a i l : k j c l i l i n x s y u e d u c a 李琳等: 石油电动钻机井场电网有源电力滤波器的改进研究 一6 7 一 U ( t )=U c o s ( c o t ) ( )= 。 s ( t +了2 7 r ) 。 G o ( t )
7、= 。 s ( 一了2 7 r ) 对其作 变换 , 得到 平面上 的井场电网电 压矢量为: ( 2 ) 因此 , 电压基波提取的方法是用过零点检测电 路提取 A相电压过零点 , 再使用软件查表法构造标 准正余弦信号, 同时计算半个工频周期内的 A相电 压有效值 , 然后将构造的标准正弦信号放大 一 倍 , 将构造的标准余弦信号放大 倍 , 就 得到 坐标下 的电压基波 。 该方法计算量小 , 实时 性好 。 1 2 周期平均值滤波器 经典 仅一 B检测方法中, 使用模拟低通滤波器 时 , 动态响应较慢 , 需要额外的硬件 电路 ; 使用 B u t t e r w o r t h 、 C h
8、 e b y s h e v 、 B e s s e l 等数字 滤波器 时虽 然延 迟较小, 但设计较为复杂, 实现所需的计算量也较 大 。改进的 O t B检测方法中 , 低通滤波器采用 周期平均值滤波器( C y c l e M e a n F i l te r , C M F ) 。 C MF的输出是输 入信号在一段 时间内的平均 值 , 这段时间被称为 C MF的周期 。根据瞬时功率理 论 , 在 坐标下 , 功率的基波正序分量转换为直流 分量 , 而谐波分量仍为交流分量。 由于交流分量在 一 个周期内的平均值为零 , 因此 0 ;8坐标下的功率 信号在一个周期内的平均值就等于其直流
9、分量, 即 其基波有 功分量。C MF原理 易懂 , 参数简单 , 易 于 实现。 在井场 电网中,驱动电动机的电力电子整流器 是谐波的主要来源 ,其通常为三相全桥 6脉波整流 器 ,理论上仅含有 6 +1 、 6 k一1次谐波 电流_ 1 。 实测 结果也表 明主要是 5次和 7次谐 波电流。 因为 6 Ii +1 次谐波电流产生 变换后的6 次谐波功率, 6 + 5次谐波电流产生 变换后的6 + 6次谐波功 率 ,所以 C MF的周期设置为 1 6个工频周期 ,即 1 3 0 0 S 。 2 改进的 P A P F控制原理 改进的 P A P F控制采用基于 D P C的滞环控制方 法,
10、将检测出的功率信号直接送人滞环比较器, 然后 查开关表得到开关器件 的控制信 号, 不需要逆变换 求 a b c坐标下的电流信号, 因此 D P C的实现较为简 单_ 】 。此外 , 采用经典 的 P I 控制来 维持直流侧 电 容电压的稳定 , 控制系统原理如图 2 。 图 2改进的 P A P F控制系统框图 Fi g 2 Bl o c k d i a g r a m f o r i m p r o v e d P APF c o n t r o l s y s t e m 图2中, 为电网电压 , , 为负载电流, , 为实际 补偿电流, 。 为直流侧电容实际电压, 为直流侧 电容参考电
11、压 , 、 Q 为实际补偿的有功和无功 , 为电网电压矢量在 一 平面上的辐角 0所在扇 区 的序号, Js 、 s 。 为功率滞环比较器的输出开关信号, S A S B Js 为 P A P F的开关状态。 本文 中定义 P A P F中的开关器件状态为 : S =1 代表 s 导通 , S =0 代表 s 关闭, 其中X=A、 B、 C 。 则 P A P F的开关状态 S S Js 对应的电压空间矢量为 ( 0 0 0 ) 、 ( 1 0 0 ) 、 I 2 ( 1 1 0 ) 、 ( 0 1 0 ) 、 ( 0 1 1 ) 、 ( 0 0 1 ) 、 ( 1 0 1 ) 、 ( 1 1
12、 1 ) 。 忽略 P A P F 连接电感的 等效 电阻, 忽略一个 开关周期 内井场 电网的电压变 化 , 根据电路理论和瞬时功率理论 , 在 坐标系中, 其离散形式下, 相邻 2 个开关周期内有: = K I c o s n 一 2 3 U k 2 3 Uk 一s , l K 1 = 了l S 。 而 , I I : 地2 兰 2 2, Y A- 式中: T s 为P A P F的开关周期 , L 为 P A P F 连接电 感 , 、 为电网电压在 O 一 卢平面上的2 个分量, 0 为电网电压矢量在 O t 一卢平面上的辐角 , 、 为电 ) n 2 2 = = 一 6 8 一 西安
13、石油大学学报(自然科学版) 压空间矢量在 O L 一 平面上的 2个分量 。 通过 P和 Q的正负号就可以判断 P A P F 是吸 收还是发 出有功和无 功。 显然 , 当 0变化时 , 尸和 Q的正负号也可能变化 , 因此必须结合 0 才能确定 所需的 P A P F开关状态 。 由此得到功率滞环控制开 关表 ( 表 1 ) 。 表 1 功 率滞环控 制的开关表 Ta b 1 Swi t c h t ab l e o f p o we r h y s t e r e s i s c o n t r o l o o 01 1 0 1 l 采用改进的 仅一B检测方法 , 并采用 1 3 0 0
14、 S的 C MF 时 , 电源电流谐波率可降到 3 4 9 ; 采用 2 5 H z的二 阶 L P F时, 电源电流谐波率降到 3 4 8 ; 二者稳态 性能基本一致, 均达到标准。但是, C M F原理易懂, 实现简单, 因此更具有实用价值。 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 时间 s ( a ) 井场 电网电压 0 1 1 O 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 O 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 时间 s ( b ) 补偿前负载 电流 3 仿真 。 。 。 。 0 针对
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