新型靜止型無功發(fā)生器在低壓鉆井工程中的應用

陳淑春,王文忠,白日欣（.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院,河北保定07000；.保定四方三伊電氣有限公司,河北保定07000）

新型靜止型無功發(fā)生器在低壓鉆井工程中的應用

陳淑春1,王文忠2,白日欣1
（1.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院,河北保定070001；2.保定四方三伊電氣有限公司,河北保定071000）

本文針對當前低壓鉆井工程中傳統(tǒng)無功補償存在的投切延時長、沖擊性大、有過補/欠補、投入大和成本高等缺點[1]，提出了采用全控型大功率電力電子器件IGBT進行動態(tài)無功補償方案。主要采用橋式結(jié)構(gòu)搭建主電路，控制策略采用模糊PI控制，經(jīng)MATLAB仿真試驗了控制方法的可能性。結(jié)合工程實際驗證了靜止型動態(tài)無功發(fā)生器SVG(StaticVarGenerator)更快、更高效、更經(jīng)濟的解決了傳統(tǒng)無功補償設(shè)備存在的問題，達到了預期效果。

低壓；動態(tài)無功補償；橋式結(jié)構(gòu)；模糊PI控制；SVG

1　概述

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)的進步，加上電力電子技術(shù)的普通應用，電力網(wǎng)負荷急劇增大，特別是非線性負荷的不斷增加，使得電力網(wǎng)發(fā)生了電壓波形畸變、電壓波動閃變和三相不平衡等不利影響。因此，在用電的各行各業(yè)，如：煤礦、電力機車、新能源發(fā)電、石油和天然氣開采等，對無功補償?shù)囊笈c日俱增。

大部分鉆井行業(yè)是典型運行的低壓小電網(wǎng)，大量無功損耗嚴重影響企業(yè)效益和利益。因為電驅(qū)動直流鉆機在工作中需要進行交、直流變換會產(chǎn)生28%以上的諧波分量，諧波會對供電系統(tǒng)造成嚴重污染，并對鉆井井場用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，導致一些精密設(shè)備無法正常工作，同時“諧波污染”使得鉆井系統(tǒng)功率因數(shù)常常低于0.5以下的狀態(tài)運行，大量電流被無功消耗，發(fā)電機功率不能得以充分利用，造成“出工不出力”現(xiàn)象，設(shè)備投入增加，能耗居高不下。因此，在鉆井系統(tǒng)進行無功分析和補償顯得尤為重要。本文采用靜止型動態(tài)無功發(fā)生器SVG在低壓鉆井系統(tǒng)中補償調(diào)節(jié)無功達到了預期效果。

2　SVG介紹

2.1SVG特點

靜止型動態(tài)無功發(fā)生器SVG具有分相調(diào)節(jié)、模塊化補償特點，可使功率因數(shù)提高到0.98以上，反應速度快，補償時間在5ms以下，效率大大提高;自身不產(chǎn)生諧波，使用壽命可提高到十年；價格成本低，體積小、使用靈活等優(yōu)點。因此，在電動鉆機系統(tǒng)中配套SVG節(jié)能裝置，對于提高電能的無功功率因數(shù)補償和諧波濾波問題，對于提高電腦質(zhì)量及設(shè)備安全穩(wěn)定高效運行具有重要意義。

2.2SVG電路結(jié)構(gòu)

考慮工程實際需要，本文設(shè)計的SVG主電路拓撲結(jié)構(gòu)采用電壓型橋式電路實現(xiàn)。交流側(cè)串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)，以濾除裝置投入時產(chǎn)生的諧波。直流側(cè)接電容作為儲能元件，已消除實際電路中存在的諧波。其基本結(jié)構(gòu)如圖1：

2.3SVG工作原理

對于電壓型橋式電路的SVG來說，工作過程可等效為一個交流側(cè)輸出接電網(wǎng)的電壓型逆變器，是將自換相的的有源逆變器通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當調(diào)節(jié)逆變器主電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流，進而可以使該SVG發(fā)出或吸收目標無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。

3　鉆井系統(tǒng)中無功補償方案確定

鉆井電驅(qū)動系統(tǒng)在工作過程中，常出現(xiàn)電壓閃變，無功功率變化范圍比較大的工況。而且隨著鉆井開啟的數(shù)量不同、鉆井深度的不同以及延時的硬度不同，無功功率的需求變化也不一樣，在鉆機起下鉆時，頻繁的從空載到滿載運行時，快速的無功閃變屬于典型的沖擊性無功功率負荷。

本項目涉及的鉆機系統(tǒng)有4臺鉆井機，外加照明燈附屬設(shè)備，滿載發(fā)電時無功需求量為1000KVAR，但是根據(jù)現(xiàn)場3個月工作時間統(tǒng)計，絕大部分時間工況不是4臺發(fā)電機同時發(fā)電運行，一般無功需求量在700KVAR的以下，所以在設(shè)計過程中，處于節(jié)約資源考慮，把700KVAR的無功需求量作為SVG的上限設(shè)計，如果無功需求超過700KVAR時，系統(tǒng)自動報警，由人工啟動發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)無功，這樣就有效提高了發(fā)電機的利用率，有效降低SVG容量，既節(jié)約了資源，又降低了工程成本，同時減小了SVG的體積，是既經(jīng)濟友環(huán)保的選擇。因此，本項目確定將無功儲能思想和協(xié)調(diào)控制策略應用于綜合并聯(lián)補償方案。

4　控制方法的實現(xiàn)

控制回路設(shè)計過程中采用了空間矢量控制和模糊PI控制相結(jié)合的控制策略，主要是對輸入電流、電壓的轉(zhuǎn)換和控制，從而得到控制開關(guān)的觸發(fā)脈沖，控制SVG橋壁的通斷達到動態(tài)補償無功功率、控制諧波的目的。核心部件采用全控型大功率電力電子器件IGBT。控制原理如圖：

5　實例分析

本文針對4套鉆機電驅(qū)動系統(tǒng)需要的4臺柴油發(fā)電機組作為自控平臺主站，根據(jù)鉆井在滿載和空載時的負荷狀況，設(shè)計了靜止型動態(tài)無功補償裝置SVG，從SVG投入后無功輸出、電壓偏差、電壓波動、電壓諧波含量波形圖可以看出，SVG跟蹤和響應速度快，系統(tǒng)的電壓偏差和波動，系統(tǒng)的三項不平衡，裝置的諧波含量都在都在國家標準范圍內(nèi)，裝置投入后對鉆井工程中獨立低壓小電網(wǎng)質(zhì)量和功率因數(shù)均有較大提高。

由上圖左側(cè)數(shù)據(jù)可知：在測試的時間內(nèi)系統(tǒng)最高的相電壓為607V.系統(tǒng)最低的相電壓為582V。系統(tǒng)相電壓的標稱電壓為600V。

電壓偏差=（最高電壓-最低電壓）/系統(tǒng)標稱電壓=1.1%。當SVG投入運行后系統(tǒng)的電壓偏差符合國家標準。

由上圖數(shù)據(jù)可知：在測試的時間，內(nèi)光標的位置為兩個相鄰極值差值最大的。極值分別為601V、589V。系統(tǒng)相電壓的標稱電壓為604V。

電壓波動=（兩個相鄰極值差）/系統(tǒng)標稱電壓=1.9%。當SVG投入運行后系統(tǒng)的電壓波動符合國家標準。

由上圖可知：光標確定的地方為諧波電壓最大的點總的諧波電壓THD為1.57%，諧波的范圍在0.64%-1.57%之間。諧波電壓很小。

6　總結(jié)與展望

在對比現(xiàn)有無功補償設(shè)備的優(yōu)缺點后，確定了靜止型動態(tài)無功發(fā)生器SVG補償石油鉆機驅(qū)動系統(tǒng)的無功失量，將無功儲能思想和協(xié)調(diào)控制策略用于綜合并聯(lián)補償方案，既降低了設(shè)備的成本又提高了原有設(shè)備的利用率，得到了滿意的控制效果。如果排除成本考慮，在方案的確定上可以按照功率因數(shù)范圍將SVG和發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器聯(lián)合統(tǒng)一控制，這樣SVG裝置整體動態(tài)性能好，智能化水平更高。

[1]鄢家財.靜止無功發(fā)生器（SVG）的研究和應用[D].蘭州理工大學,2011.

[2]劉俊杰.靜止無功發(fā)生器（SVG）的研究與設(shè)計[D].天津理工大學,2012.

河北省保定市科技局科技攻關(guān)計劃項目項目編號13ZG027