专利名称：大功率电能质量管理控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能质量管理控制系统，特别是涉及一种大功率 谐波抑制与无功补偿的大功率电能质量管理控制系统。
背景技术：
石油作为国家经济发展的重要能源，近年来，随着国民经济的迅速发 展，石油钻探开发装备也得到了迅猛发展，尤其是电驱动钻机控制系统，无 论是在数量上还是在技术装备水平上也相应得到了提高和发展。然而，目前 电驱动钻机控制系统大部分是采用大型柴油发电机组
(1000KW--2400KW/600V-690V)供电的大功率直流调速系统 (1500A—2400A/600V—690V)或变频调速系统(500KW—1200KW/600V-690V)，这 两种调速控制系统的应用对柴油发电机组供电的电能质量产生了严重的影 响，尤其在石油钻井作业时，负荷变化频繁且幅度大的工况下使决定供电电 能质量的电压电流波形产生了严重的畸变(即电压电流波形失真度提高和 供电系统无功功率增加)，而且晶闸管(SCR )直流调速控制系统运行时的 电压波形还会出现严重的换相缺口，即产生大量谐波，使5次和7次谐波 含量严重超标(5次谐波电流含有率HRI5-35--45% 、 7次谐波电流含有率 HRI7=13—15%， 5次谐波电压含有率HRU5-15—25% ),直接影响到石油钻 井现场所用电气设备的可靠运行，频繁停机和无用功率的增加也造成了生 产成本的增加。
目前，石油钻机使用的电驱动控制系统中大多数对抑制谐波和减少无 功还没有采取措施。有少数采取了晶闸管投切LC无源滤波器的措施，但运 行的效果和可靠性较差。
由此可见，上述现有的石油钻机使用的电驱动控制系统在结构与使用 上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在 的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适 用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显 然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的大功率电 能质量管理控制系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改 进的目标。
有鉴于上述现有的石油钻机使用的电驱动控制系统存在的缺陷，本发 明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合 学理的运用，积极加以研究创新，以期创i殳一种新型结构的大功率电能质量管理控制系统，能够改进一般现有的石油钻机使用的电驱动控制系统，使 其更具有实用性。随着科技的不断进步，有源电力滤波器的诞生，为有效 地抑制谐波带来了希望。为降低钻井作业时燃油消耗提供了有效途径。本 发明人经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出 确具实用价值的本发明。
发明内容
本实用新型的目的在于，克服现有的柴油发电机组供电下的电驱动钻 机控制系统用的无源滤波系统存在的滤波效果和可靠性差等问题，而提供 一种新型结构的大功率电能质量管理控制系统，所要解决的技术问题是使 其通过使用有源滤波装置滤除非线性负载产生的谐波有效的净化电网，再 运用无功补偿装置补偿非线性负载产生的无功，使无功补偿装置的运行更 加可靠，非常适于实用。
本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现
的。依据本实用新型提出的一种大功率电能质量管理控制系统，其包括:一 第一断路器，与一电网相连； 一变压器，连接该第一断路器；至少一有源 滤波装置，该有源滤波装置与该变压器连接，输出一反向的输出谐波电流 至该变压器，经该第一断路器送回该电网，该有源滤波装蕈又通过一第一 电流互感器连接该电网的一供电回路，检测该供电回路的一谐波电流；以及 至少一无功补偿装置，该无功补偿装置与该第一断路器连接，经由该第一 断路器接入该电网，该无功补偿装置又通过一第二电流互感器连接该电网 的该供电回路，检测该供电回路的一无功电流，其中，该无功补偿装置与 该有源滤波装置连接，以接收来自该有源滤波装置的一信号。
本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来 进一步实现。
前述的大功率电能质量管理控制系统，其中所述的有源滤波装置包 括一第二断路器，与该变压器连接，经该变压器接收来自该电网的一整流 充电信号，并将该输出谐波电流输送至该变压器； 一电抗器，连接该第二 断路器，接收来自该第二断路器的该整流充电信号，并输送该输出谐波电 流至该第二断路器； 一滤波器，接入该第二断路器与该电抗器之间，滤除 该电抗器输送至该第二断路器的该输出谐波电流的开关频率； 一三相逆变 桥，连接该电抗器，接收来自该电抗器的该整流充电信号，并传送该输出谐 波电流至该电抗器； 一储能电容器，连接该三相逆变桥，接收来自该三相 逆变桥的该整流充电信号，并输出一能量信号至该三相逆变桥；以及一控 制板，连接该三相逆变桥，传送一逆变控制信号至该三相逆变桥，并通过 该第一电流互感器与该供电回路连接，检测该谐波电流。偿装置包
括一第三断路器，与该第一断路器连接，获得该电网的一电压信号； 一反 并联晶闸管，连接该第三断路器，接收来自该第三断路器的该电压信号；一 电容器，与该反并联晶闸管连接，提供一补偿该电网的无功能量； 一控制 器，连接该第三断路器，接收来自该第三断路器的该电压信号，并通过该第 二电流互感器与该供电回路连接，检测该无功电流；以及一控制板，连接 该控制器、该第三断路器及该反并联晶闸管，接收来自该控制器的一控制 投切信号，及来自该第三断路器的该电压信号，发送一触发信号至该反并 联晶闸管。
前述的大功率电能质量管理控制系统，其还包括 一正常情况下使用 的冷却空调； 一备用的冷却空调；以及一台钢结构的房体，容置该第一断 路器、该变压器、该至少一有源滤波装置、该至少一无功补偿装置、该正 常情况下使用的冷却空调及该备用的冷却空调。
本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技 术方案，本实用新型大功率电能质量管理控制系统至少具有下列优点及有 益效果
优点
1、 运行可靠性高。本实用新型的大功率电能质量管理控制系统的有源 滤波部分，能够可靠的对2--60次谐波进行有效的滤除，更可以通过先使 用有源滤波装置滤除非线性负载产生的谐波再用无功补偿装置补偿非线性 负载产生的无功，使并联运行的无功补偿部分运行更可靠。避免了采用晶 闸管投切L-C滤波兼无功补偿系统时，因电流或电压波形畸变严重而容易 造成晶闸管或滤波电容损坏等现象。
2、 动态响应快，本实用新型的大功率电能质量管理控制系统可以满足 钻井突加突卸负荷工况的要求。系统的谐波滤除采用的是有源滤波，利用有 源滤波对阶跃负荷变化响应时间短(<40ms)等优点，并配合晶闸管投切无 功补偿电容。可以满足发电机组或电网供电下钻井作业的各种工况对电流 总畸变率THDi、电压总畸变率THDv、无功功率Q的治理和补偿的要求。避 免了只采用晶闸管投切L-C进行滤波兼无功补偿系统响应速度慢而造成晶 闸管、滤波电容损坏或母线电压波动大等跳闸现象。
有益效果
1、 本实用新型可以使电驱动控制系统运行时所产生的电流总畸变率 THDi和电压总畸变THDv下降。
2、 本实用新型使大功率供电系统的功率因数P.F得到提高。
3、 本实用新型使大功率供电的电压、电流波形接近正弦波，有利于电控系统、井场和营房等用电设备的安全运行。
4、本实用新型提高了大功率供电系统发电机组的利用率，降低了线路 和发电机组的发热损耗，同时节约能源消耗，P争低了生产成本
综上所述，本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效 果,诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实 用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用 新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举4^f圭实施 例，并配合附图，详细说明如下。
图1是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统与外 围连接的原理框图。
图2是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统的有 源滤波装置与外围连接的原理框图。
图3是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统的无 功补偿装置与外围连接的原理框图。
图4是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统运行 前检测到的柴油发电机组供电的电压波形图。
图5是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统运行 后4企测到的柴油发电才几组供电的电压波形图。
图6是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统运行 前检测到的柴油发电机组供电的电流波形图。
图7是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理控制系统运行 后检测到的柴油发电机组供电的电流波形图。
1:柴油发电机组 2: 第四断路器
3: 三相三线600-690V, 50/60HZ电网4、 12、 22:非线性负载 5:第一断路器 6、 13:变压器
8: 10: 14: 16: 18:
9
第一断路器 有源滤波装置 第一电流互感器 11、 21:电源 15:电抗器 17:储能电容器 19、 26:控制板 23:第三i 25:电容器
无功补偿装置 第二电流互感器 第二断路器
三相逆变桥 滤波器 20、 28:电流互感器 24:反并联晶闸管 27:控制器具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及 功效，
以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的大功率电能质 量管理控制系统其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参 阅图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式
的
更加深-i具体s了解，'然而所附图式仅是提供参考与说明之用:并非用 来对本实用新型加以限制。
下面我们以将本实用新型的大功率电能质量管理控制系统应用于大功 率柴油发电机组供电的电驱动石油钻机系统为例进行说明。
请参阅图i所示，是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理 控制系统与外围连接的原理框图。本实用新型较佳实施例的大功率电能质
量管理控制系统，包括第一断路器5、变压器6、有源滤波装置7以及无 功补偿装置8。
被治理的电驱动系统，由柴油发电机组1、第四断路器2、三相三线 600-690V， 50/60HZ电网3以及非线性负载4构成。其中，柴油发电机组1 发出的电能经第四断路器2控制^皮传送到三相三线600-690V, 50/60HZ电 网3，供非线性负载4的直流调速或变频调速使用。
本实用新型的电能质量管理控制系统采用第一电流互感器9检测柴油 发电机组1供电回路的谐波电流，传送到有源滤波装置7中，经高速运算 处理控制有源滤波装置7反向的输出谐波电流的大小，再经480V/600-690V 的变压器6和第一断路器5输出到要治理的三相三线600-690V， 50/60HZ 电网3中，来补偿供电系统产生的谐波电流，以达到净化电网的目的。
同时，采用第二电流互感器10检测柴油发电机组1供电回路的无功电 流，传送到无功补偿装置8中，经高速运算处理控制无功补偿装置8输出无 功电流的大小，再经第 一 断路器5传送到要治理的三相三线 600-690V， 50/60HZ电网3中，来补偿供电系统产生的无功电流，以达到系 统无功补偿的目的。
请参阅图2所示，是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理 控制系统的有源滤波装置与外围连接的原理框图。本实用新型较佳实施例 的大功率电能质量管理控制系统的有源滤波装置，包括第二断路器14,电 抗器15,滤波器18，三相逆变桥16,储能电容器17以及控制板19。
被治理的供电系统，由电源11以及非线性负载12构成。其中，由电源 11供给非线性负载12使用的电能。本实用新型的有源滤波装置采用电流互感器20检测被治理的供电系统 回路的谐波电流，送到有源滤波装置中的控制板19，经高速运算处理来控 制三相逆变桥16的逆变工作，把储能电容器17储存的能量逆变成与检测 到的谐波电流反向的输出谐波电流，再经电抗器15和滤波器18，将开关频 率滤除，经第二断路器14和480V/600-690V的变压器13输送到#:治理的 供电系统回路中，来补偿供电系统产生的谐波电流，以达到净化电网的目 的。同时控制板19也控制三相逆变桥16经断路器14和电抗器15，给储能 电容器17整流充电，以达到储能电容器17电压的稳定。
请参阅图3所示，是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质量管理 控制系统的无功补偿装置与外围连接的原理框图。本实用新型较佳实施例 的大功率电能质量管理控制系统的无功补偿装置装置，包括第三断路器 23、反并联晶闸管24,电容器25，控制器27以及控制板26。
被补偿的供电系统，由电源21以及非线性负载22构成，其中，由电源 21供给非线性负载2 2使用的电能。
本实用新型的无功补偿装置采用电流互感器28检测被补偿的供电系统 回路的无功电流，输送到无功补偿置中的控制器9，同时把第三断路器23 输送到反并联晶闸管24的电压也输送到控制器27中，经无功功率运算处 理把控制投切反并联晶闸管24的信号传送到控制板26，同时也把第三断路 器23输送到反并联晶闸管24的电压输送到控制板26，再由控制板26来触 发反并联晶闸管24，接通无功补偿电容器25，以完成无功补偿。
本实用新型的大功率电能质量管理控制系统在应用于大功率柴油发电 机组供电的电驱动石油钻机系统时，在实际运作中可以使用1-4台有源滤波 装置7 (400A—1200A/480V) 、 l-6台无功^M尝装置8 (1200KVAR—3000KVAR)，特别 是，当用于陆地或沙漠环境使用时，该大功率电能质量管理控制系统还包 括两台冷却空调，其中一台正常情况下使用， 一台备用以及一台钢结构的 房体(300Q mm X3000 mm X ( 6000-9000 ) mm),其容置有源滤波装置7、无 功补偿装置8、变压器、第四断路器及两台冷却空调，以对上述设备起到保 护作用。
在运行时，本实用新型的大功率电能质量管理控制系统更可以通过有 源滤波装置7与无功补偿装置8之间的信号连线，在源滤波装置7工作结 束后产生一信号，启动无功补偿装置8进^f亍工作，继而实现先运4亍有源滤 波装置7滤除非线性负载产生的谐波，再利用无功补偿装置8补偿非线性 负载产生的无功，以达到使并联运行的无功补偿装置8运行更可靠的有益 效果。
请参阅图4-7所示，图4是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质 量管理系统运行前检测到的柴油发电机组供电的电压波形图。图5是本实用新型 一较佳实施例的大功率电能质量管理系统运行后^r测到的柴油发电 机组供电的电压波形图。图6是本实用新型一较佳实施例的大功率电能质 量管理系统运行前检测到的柴油发电机组供电的电流波形图。图7是本实 用新型 一较佳实施例的大功率电能质量管理系统运行后检测到的柴油发电 机组供电的电流波形图。图中显示了用FLUKE测试仪4企测到的本实用新型 的行前电能质量管理系统运行前后柴油发电机组供电的电压及电流的波 形。从图中可以看出在使用了本实用新型后柴油发电机组供电的电压及电 流的波形得到了明显的改善，电驱动钻机控制装置运行时所产生的电流总 畸变率THDi和电压总畸变THDv分别从原来的10-40 %和10-30 %下降到3-5 %和2-5% 。同时也使柴油发电机组供电系统的功率因数P. F从0. 35—0. 55 提高到0. 9—0.99。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作 任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非 用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技 术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同 变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实 用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均 仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求1、一种大功率电能质量管理控制系统，其特征在于其包括一第一断路器，与一电网相连；一变压器，连接该第一断路器；至少一有源滤波装置，该有源滤波装置与该变压器连接，输出一反向的输出谐波电流至该变压器，经该第一断路器送回该电网，该有源滤波装置又通过一第一电流互感器连接该电网的一供电回路，检测该供电回路的一谐波电流；以及至少一无功补偿装置，该无功补偿装置与该第一断路器连接，经由该第一断路器接入该电网，该无功补偿装置又通过一第二电流互感器连接该电网的该供电回路，检测该供电回路的一无功电流，其中，该无功补偿装置与该有源滤波装置连接，以接收来自该有源滤波装置的一信号。
2、根据权利要求1所述的大功率电能质量管理控制系统,其特征在于 其中所述的有源滤波装置包括一第二断路器，与该变压器连接，经该变压器接收来自该电网的一整 流充电信号，并将该输出谐波电流输送至该变压器；一电抗器，连接该第二断路器，接收来自该第二断路器的该整流充电 信号，并输送该输出谐波电流至该第二断路器；一滤波器，接入该第二断路器与该电抗器之间，滤除该电抗器输送至该 第二断路器的该输出谐波电流的开关频率；一三相逆变桥，连接该电抗器，接收来自该电抗器的该整流充电信 号，并传送该输出谐波电流至该电抗器；一储能电容器，连接该三相逆变桥，接收来自该三相逆变桥的该整流 充电信号，并输出一能量信号至该三相逆变桥；以及一控制板，连接该三相逆变桥，传送一逆变控制信号至该三相逆变 桥，并通过该第一电流互感器与该供电回路连接，检测该谐波电流。
3、根据权利要求1所述的大功率电能质量管理控制系统，其特征在于其 中所述无功补偿装置包括一第三断路器，与该第一断路器连接，获得该电网的一电压信号； 一反并联晶闸管，连接该第三断路器，接收来自该第三断路器的该电压 信号；一电容器，与该反并联晶闸管连接，提供一补偿该电网的无功能量； 一控制器，连接该第三断路器，接收来自该第三断路器的该电压信号，并 通过该第二电流互感器与该供电回路连接，检测该无功电流；以及一控制板，连接该控制器、该第三断路器及该反并联晶闸管，接收来自该控制器的一控制投切信号，及来自该第三断路器的该电压信号，发送一触 发信号至该反并联晶闸管。
4、根据权利要求1至3中任一权利要求所述的大功率电能质量管理控 制系统，其特征在于其还包括一正常情况下使用的冷却空调； 一备用的冷却空调；以及一台钢结构的房体，容置该第一断路器、该变压器、该至少一有源滤 波装置、该至少一无功补偿装置、该正常情况下#_用的冷却空调及该备用 的冷却空调。
专利摘要本实用新型是有关于一种大功率电能质量管理控制系统，其包括一第一断路器，与一电网相连；一变压器，连接第一断路器；至少一有源滤波装置，与变压器连接，输出一反向的输出谐波电流至变压器，经第一断路器送回电网，有源滤波装置又通过一第一电流互感器连接电网的一供电回路，检测供电回路的一谐波电流；以及至少一无功补偿装置，与第一断路器连接，经由第一断路器接入电网，无功补偿装置又通过一第二电流互感器连接电网的供电回路，检测供电回路的一无功电流，其中，无功补偿装置与有源滤波装置连接，以接收来自有源滤波装置的一信号。本实用新型通过先运行有源滤波装置滤除谐波再用无功补偿装置补偿无功，使并联无功补偿部分运行更可靠。
文档编号H02J3/18GK201408994SQ20092010757
公开日2010年2月17日 申请日期2009年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者缑柏弘, 鲁纪云 申请人:北京四利通控制技术有限公司