潛油電泵機組靜止同步補償器控制算法研究

于 浩

（大慶油田力神泵業有限公司采辦部，黑龍江 大慶 163311）

0 引言

潛油電泵機組是一種非常重要的機械采油設備，在大慶油田約有電泵井1 500口，占機械采油井總數的5%，產液量占總產液量的20%～30%。潛油電泵機組具有排量范圍大、采油速度快、檢泵周期長、自動化控制程度高、操作簡便等優點，但同時也是油田主要的能耗設備之一。機組配套的潛油電機一般為三相鼠籠型異步感應電機，實際使用中功率因數大多在0.7～0.75之間，功率因數偏低，無功功率消耗大。為了降低電泵機組消耗的無功功率，提高潛油電泵系統的功率因數，降低線損，達到節能的目的，對潛油電泵機組進行末端無功補償是一種很實用的方式，因此對潛油電泵機組的無功補償方法進行研究是很有必要的。

目前應用于潛油電泵機組末端無功補償的方式主要是晶閘管投切容器（Thyristor switched container，TSC）型。這種無功補償方式是將大容量的無功補償電容器組安放于電泵機組的地面控制柜中，通過檢測機組的無功電流或功率因數由中心控制器控制電容器組的投切，晶閘管起到交流開關的作用，由于TSC需要多組補償電容器，設備的體積較大，并且需要選擇在晶閘管兩端電壓為零的時刻對電容器組進行投切控制，主電路的硬件結構和控制算法都較為復雜，限制了這種無功補償方式的推廣應用。而靜止同步補償器（STATCOM），采用自換相變流的橋式逆變電路進行動態的無功功率補償，所用電容元件小，它既能發出無功功率，又能吸收無功功率，比TSC的調節速度更快、運行范圍更寬，裝置體積相對較小，綜合考慮系統的復雜性和經濟性，這種無功補償方式更適用于潛油電泵機組，是潛油電泵機組無功補償技術的重要發展方向。

1 靜止同步補償器進行無功補償的基本原理

圖1 靜止同步補償器的基本結構

靜止同步補償器基本工作原理是將采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、門極可關斷晶閘管（GTO）等全控開

關器件組成的逆變電路并聯在電網上。直流側電容器用以維持直流電壓，連接電抗器用來濾除高次諧波，逆變電路可視為電壓源型逆變器（VSI），靜止同步補償器基本結構如圖1所示。

當考慮到連接電抗器和逆變器自身的損耗時，將總損耗看作連接電抗器的等值電阻R，其工作相量圖如圖2所示。其中V˙S為系統母線相電壓，V˙STATCOM為靜止同步補償器交流側相電壓基波分量，R為連接電抗器的等值電阻，X為連接電抗器的電抗，δ角為系統電壓V˙S與變流器電壓V˙STATCOM的相角差。改變δ與V˙STATCOM幅值的大小，就可以控制輸出電流I˙的大小與相位，從而控制STATCOM 向電網發出容性無功或是感性無功。

圖2 靜止同步補償器的工作相量圖

對于潛油電泵機組，連接電抗器和逆變器自身的損耗值非常小，可近似認為R=0，連接電抗器等值阻抗為jX，則V˙STATCOM與V˙S相位相同，相位差 δ=0。通過控制裝置交流側相電壓V˙STATCOM的大小就可連續發出容性無功或是感性無功，也可直接控制交流側電流。根據基爾霍夫電壓電流定律可推得STATCOM向電網輸出無功功率的公式為：當Q＞0時STATCOM向系統發出容性無功功率，Q＜0時STATCOM向系統發出感性無功功率。

2 基于前饋補償PI的改進型電流直接控制算法

根據裝置的交流側是否對輸出電流直接進行控制，可將基本的控制策略分為電流間接控制和電流直接控制兩大類。由于潛油電機的功率一般在幾十到幾百千瓦，所需STATCOM容量不是很大，故更適用于電流直接控制算法，采用正弦脈寬調制技術對電流波形瞬時值進行反饋控制。普通的電流直接控制算法采用內外環反饋PI控制，這種算法的抗干擾能力一般，PI參數不能自適應調整。為進一步提高無功補償的動態性能，本文根據前饋控制的思想，改進了電流直接控制算法，引入前饋控制環節，對電流內環的PI參數設計了前饋補償，以提高STATCOM對無功電流的跟蹤性能。圖3所示為前饋PI控制結構，圖4所示為基于前饋補償PI改進型電流直接控制算法原理圖。

圖3 前饋PI控制系統結構

圖4 靜止同步補償器的前饋PI改進型電流直接控制算法原理圖

其中，IQref為所需補償的無功電流參考值，IPref為裝置所需有功電流參考值，雙環結構中內環為電流控制環，外環為直流側電壓控制環。Id和Iq為靜止同步補償器交流側輸出三相瞬時電流ia、ib、ic的直軸分量與交軸分量，ud和uq為靜止同步補償的交流側電壓直軸與交軸分量。

外環經直流側電壓比較和PI調節后產生IPref，由于電壓控制外環響應速度遠低于電流環響應速度，所以對外環采用常規PI控制策略。IQref取反后得到-IQref，將Id和Iq分別與IPref和IQref進行比較后進行PI參數調節器的前饋補償得到ud和uq。經dq-abc坐標變換為三相交流調制信號送入到脈寬調制（PWM）電路，經比較三角載波信號后得到觸發脈沖。

3 仿真驗證

為驗證本文所提出的控制算法的正確性，利用的MATLAB軟件，搭建了前饋PI改進型電流直接控制算法的仿真模型，得到了前饋補償PI的正弦跟蹤和前饋補償PI的正弦跟蹤誤差的波形圖，分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見，通過前饋補償，可以更好地調節PI參數，從而保證STATCOM的無功跟蹤性能。

圖5 前饋補償PI的正弦跟蹤

圖6 前饋補償PI的正弦跟蹤誤差

圖7 STATCOM補償前電網側A相電壓和電流

圖8 經STATCOM補償后電網側A相電壓與電流波形

由于潛油電機為感性負載，為驗證本文所研究的STATCOM對負載無功的補償能力，通過MATLAB/SIMULINK軟件包搭建系統模型進行仿真，以電網側A相為例進行分析。仿真算例所選潛油電機額定功率為40kW，額定電壓810 V，額定電流45 A，取STATCOM直流側電壓Udc=1100 V，連結阻抗 R=1.2 Ω，L=7.5 mH。仿真時間0.2 s，仿真結果如圖7和圖8所示。

圖7所示為未投入STATCOM進行無功補償時，電網側A相的電壓電流波形。由圖可見，A 相電流I˙sa滯后于 A 相電壓U˙sa，電網存在感性無功電流。圖8所示為經STATCOM補償后電網側A相輸出的電壓與電流波形，可見大約經過1個周波（0.02 s）之后，電網側電壓U˙sa與電流I˙sa變為同相位，STATCOM投入后對潛油電機的感性無功進行了動態的補償。

4 結語

本文提出了一種基于前饋補償PI的改進型電流直接控制算法，該算法適用于對潛油電泵機組進行無功補償的靜止同步補償器（STATCOM）的控制，經仿真表明，采用該算法可以很好地實現對潛油電泵機組的動態無功補償。該控制算法易于硬件實現，研究結果為進一步研制高性能的潛油電泵機組靜止同步補償裝置提供了有效的參考依據。

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