新型靜止型無功發生器在低壓鉆井工程中的應用

陳淑春,王文忠,白日欣（.河北軟件職業技術學院,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.河北軟件職業技術學院,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進行動態無功補償方案。主要采用橋式結構搭建主電路，控制策略采用模糊PI控制，經MATLAB仿真試驗了控制方法的可能性。結合工程實際驗證了靜止型動態無功發生器SVG(StaticVarGenerator)更快、更高效、更經濟的解決了傳統無功補償設備存在的問題，達到了預期效果。

低壓；動態無功補償；橋式結構；模糊PI控制；SVG

1　概述

隨著國民經濟的發展和現代化技術的進步，加上電力電子技術的普通應用，電力網負荷急劇增大，特別是非線性負荷的不斷增加，使得電力網發生了電壓波形畸變、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，如：煤礦、電力機車、新能源發電、石油和天然氣開采等，對無功補償的要求與日俱增。

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

2　SVG介紹

2.1SVG特點

靜止型動態無功發生器SVG具有分相調節、模塊化補償特點，可使功率因數提高到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、使用靈活等優點。因此，在電動鉆機系統中配套SVG節能裝置，對于提高電能的無功功率因數補償和諧波濾波問題，對于提高電腦質量及設備安全穩定高效運行具有重要意義。

2.2SVG電路結構

考慮工程實際需要，本文設計的SVG主電路拓撲結構采用電壓型橋式電路實現。交流側串聯電抗器接入電網，以濾除裝置投入時產生的諧波。直流側接電容作為儲能元件，已消除實際電路中存在的諧波。其基本結構如圖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輸出接電網的電壓型逆變器，是將自換相的的有源逆變器通過電抗器并聯在電網上，適當調節逆變器主電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制交流側電流，進而可以使該SVG發出或吸收目標無功電流，實現動態無功補償。

3　鉆井系統中無功補償方案確定

鉆井電驅動系統在工作過程中，常出現電壓閃變，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有4臺鉆井機，外加照明燈附屬設備，滿載發電時無功需求量為1000KVAR，但是根據現場3個月工作時間統計，絕大部分時間工況不是4臺發電機同時發電運行，一般無功需求量在700KVAR的以下，所以在設計過程中，處于節約資源考慮，把700KVAR的無功需求量作為SVG的上限設計，如果無功需求超過700KVAR時，系統自動報警，由人工啟動發電機勵磁調節器調節無功，這樣就有效提高了發電機的利用率，有效降低SVG容量，既節約了資源，又降低了工程成本，同時減小了SVG的體積，是既經濟友環保的選擇。因此，本項目確定將無功儲能思想和協調控制策略應用于綜合并聯補償方案。

4　控制方法的實現

控制回路設計過程中采用了空間矢量控制和模糊PI控制相結合的控制策略，主要是對輸入電流、電壓的轉換和控制，從而得到控制開關的觸發脈沖，控制SVG橋壁的通斷達到動態補償無功功率、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套鉆機電驅動系統需要的4臺柴油發電機組作為自控平臺主站，根據鉆井在滿載和空載時的負荷狀況，設計了靜止型動態無功補償裝置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，系統的電壓偏差和波動，系統的三項不平衡，裝置的諧波含量都在都在國家標準范圍內，裝置投入后對鉆井工程中獨立低壓小電網質量和功率因數均有較大提高。

由上圖左側數據可知：在測試的時間內系統最高的相電壓為607V.系統最低的相電壓為582V。系統相電壓的標稱電壓為600V。

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

由上圖數據可知：在測試的時間，內光標的位置為兩個相鄰極值差值最大的。極值分別為601V、589V。系統相電壓的標稱電壓為604V。

電壓波動=（兩個相鄰極值差）/系統標稱電壓=1.9%。當SVG投入運行后系統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　總結與展望

在對比現有無功補償設備的優缺點后，確定了靜止型動態無功發生器SVG補償石油鉆機驅動系統的無功失量，將無功儲能思想和協調控制策略用于綜合并聯補償方案，既降低了設備的成本又提高了原有設備的利用率，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范圍將SVG和發電機勵磁調節器聯合統一控制，這樣SVG裝置整體動態性能好，智能化水平更高。

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

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

河北省保定市科技局科技攻關計劃項目項目編號13ZG027