抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)與控制

侯宗文（大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)監(jiān)督中心）

游梁式抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的重點(diǎn)能耗設(shè)備，是目前各油田普遍采用的抽油機(jī)，但普遍存在著高能耗、低產(chǎn)出、沖程和沖速調(diào)節(jié)不方便等明顯的缺點(diǎn)[1]。隨著變頻節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)因其節(jié)能、安全、易控制、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在油田生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，逐漸成為抽油機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的主要控制技術(shù)之一[2]。近幾年來(lái)，一種基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)投入油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，它的應(yīng)用解決了抽油機(jī)單井應(yīng)用變頻控制設(shè)備所帶來(lái)的投資大、油井變頻控制柜成本價(jià)格高、自身耗電大（一般油井變頻控制柜能耗占油井能耗的3%～5%，個(gè)別高的油井變頻控制柜自身能耗占油井總能耗比例甚至達(dá)到15%）、油井存在倒發(fā)電造成能源浪費(fèi)等問題[3]，在油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用已取得良好節(jié)能效果。

1 抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)

圖1為基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)組成框圖。該系統(tǒng)主要有公共直流母線控制系統(tǒng)和多個(gè)變頻終端等部分組成。公共直流母線控制系統(tǒng)包括：電力變壓器、進(jìn)線開關(guān)、逆變器等。基于公共直流母線構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)通常由公共直流母線、變頻終端單元等組成。

圖1 基于直流供電配置的抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)組成框圖

抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)采用公共直流母線下掛多個(gè)變頻終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變頻器終端采用一種適合于直流母線供電特點(diǎn)的特種開關(guān)電源構(gòu)成方案，變頻主電路采用全控型電力電子器件IGBT等快速模塊及高頻PWM控制方式。該系統(tǒng)若諧波抑制控制措施采取不當(dāng)，未設(shè)計(jì)安裝諧波抑制電路，就會(huì)造成油井諧波信號(hào)嚴(yán)重超標(biāo)，這些對(duì)電網(wǎng)的不利影響不僅會(huì)導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，增大設(shè)備噪音量，而且會(huì)嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，造成對(duì)電網(wǎng)的“公害”[4-5]。

2 諧波的危害

相關(guān)研究結(jié)果表明，諧波污染會(huì)造成供電電壓的畸變，對(duì)供用電設(shè)備造成的危害[5-6]主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，由于電網(wǎng)諧波的存在，會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定產(chǎn)生振動(dòng)，溫度升高和損耗增加。

2）對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的影響，當(dāng)諧波頻率與系統(tǒng)中的諧振頻率耦合時(shí)，會(huì)造成電容器過電壓或過電流，使電容器絕緣老化，影響使用壽命，甚至直接燒壞電容器。含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

3）對(duì)變壓器的影響，諧波電流流經(jīng)變壓器繞組會(huì)增大損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并產(chǎn)生噪聲。諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。

4）對(duì)電量計(jì)量的影響。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，智能式電能表不能用于計(jì)量諧波含量較高的用電設(shè)備。因?yàn)樗?jì)量的電量往往偏低，計(jì)量誤差較大。

5）增加設(shè)備噪音。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，供電設(shè)備因電網(wǎng)諧波污染，就會(huì)產(chǎn)生噪音信號(hào)，其噪音是無(wú)污染前的幾倍，甚至幾十倍。

6）降低供電電能質(zhì)量。由于電網(wǎng)諧波的存在，電網(wǎng)的供電質(zhì)量明顯下降，甚至達(dá)不到供電電網(wǎng)的正常質(zhì)量要求。

7）降低電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，從而使上述的危害大大增加，對(duì)輸電線路和電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。同時(shí)，由于電網(wǎng)諧波的存在，增加了供電電網(wǎng)“電壓暫降”發(fā)生的可能性，有可能引起電網(wǎng)跳閘斷電事故，降低了電網(wǎng)安全運(yùn)行的可靠性。

8）增加干擾信號(hào)。當(dāng)電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場(chǎng)耦合時(shí)，會(huì)在鄰近電力線的數(shù)據(jù)采集線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集信息質(zhì)量降低，甚至數(shù)據(jù)信息丟失等問題。

3 系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)主要設(shè)備

依據(jù)Q/SH 1020—2013《機(jī)械采油井低壓供電系統(tǒng)諧波測(cè)試與評(píng)定規(guī)范》和GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，利用HIOKI 3169—20型電參數(shù)測(cè)試儀、HIOKI 3286—20型電力諧波測(cè)試分析儀或Fluke345福祿克諧波測(cè)試儀等測(cè)試儀器對(duì)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)輸入端、以及變壓器輸出端進(jìn)行諧波信號(hào)檢測(cè)，或者利用HIOKI 3390型功率分析儀對(duì)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)輸出端、油井電動(dòng)機(jī)輸入端進(jìn)行諧波信號(hào)檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)諧波信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不符合電網(wǎng)質(zhì)量要求的主要諧波信號(hào)產(chǎn)生源進(jìn)行優(yōu)化治理，從而達(dá)到消除電網(wǎng)諧波污染，降低供電系統(tǒng)能源損耗，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。

3.2 監(jiān)測(cè)情況

2017年10月對(duì)某油田某采油管理區(qū)604-1、604-26和604-3三個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，其中604-1抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)10口油井的供電，604-2抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)8口油井的供電，604-3抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)8口油井的供電。從抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)輸入端、以及變壓器輸出端進(jìn)行諧波信號(hào)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果均沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所要求，需要采取諧波控制措施加以解決。

4 控制措施

通過對(duì)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)諧波測(cè)試，抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生源主要來(lái)自變頻群控系統(tǒng)，要消除諧波信號(hào)的產(chǎn)生，降低供電系統(tǒng)能源損耗，必須在變頻群控系統(tǒng)設(shè)備上做好諧波信號(hào)的優(yōu)化治理工作。采取的措施主要有：

1）優(yōu)化濾波單元。濾波部分采用電感電容濾波，以減少其網(wǎng)側(cè)的電流諧波。整流濾波單元的整流部分采用三相二極管不可控整流，以提高其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

2）加裝直流電抗器。為了抑制變頻器的發(fā)射干擾和感應(yīng)干擾，抑制電動(dòng)機(jī)的電壓波動(dòng)效應(yīng)，在變頻器的輸入、輸出電路中串接電抗器，對(duì)抑制5～19次諧波效果顯著，選用時(shí)使電抗器上的電壓降約在額定電壓的3%為最佳。

3）提高變頻器的載波頻率。通過適當(dāng)提高變頻器的載波頻率，減少變頻器諧波信號(hào)的產(chǎn)生。目前在用的各種變頻器，一般出廠值載波頻率均較低，其目的是為了減少IGBT的功耗。

4）加強(qiáng)諧波監(jiān)測(cè)。通過定期組織對(duì)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)的諧波信號(hào)監(jiān)測(cè)，及時(shí)提出優(yōu)化治理措施，消除諧波信號(hào)的產(chǎn)生，降低供電系統(tǒng)能源損耗和噪音的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 實(shí)施效果

某油田抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)諧波信號(hào)控制措施前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 諧波信號(hào)控制措施前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總對(duì)比

從表1中可以看出，3個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率、電壓諧波和總畸變率和電流諧波總畸變率等主要技術(shù)參數(shù)與采取主要控制措施前相比均明顯下降，3個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)諧波信號(hào)均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

5.2 綜合效益評(píng)價(jià)

1）具有良好的節(jié)能效益。三個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)有功功率下降了57.07 kW，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電49×104kWh，費(fèi)用按0.65元/kWh計(jì)算，則產(chǎn)生年直接節(jié)電效益為32.49萬(wàn)元。同時(shí)，降低了線路與變壓器的損耗率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該線路與變壓器的損耗率由治理前8.7%下降到治理后的3.2%，取得了良好的節(jié)能效益。

2）提升了油井功率因數(shù)。3個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)平均功率因數(shù)提高了0.264 3，無(wú)功功率損耗大幅度降低，提升了電網(wǎng)的功率因數(shù)。

6 結(jié)論

1）有效降低電壓諧波總畸變率。經(jīng)檢測(cè)，3個(gè)抽油機(jī)變頻群控系統(tǒng)供電系統(tǒng)的輸入端電壓諧波總畸變率均低于5%，電流諧波總畸變率均低于50%，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性。由于諧波干擾的有效治理，大大降低了設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少了設(shè)備的故障維修費(fèi)用。

3）提高了電網(wǎng)可用容量。波源外送的諧波有功功率是由從電網(wǎng)吸收的基波有功功率的一部分轉(zhuǎn)化而成的，由此減少了電網(wǎng)可用容量，諧波信號(hào)的有效控制，可有效提升電網(wǎng)可用容量。