動態(tài)無功補償設(shè)備在鉆井施工現(xiàn)場的應(yīng)用

摘要：為了降低燃油成本，更好地踐行節(jié)能減排政策，進(jìn)一步提高50D鉆機電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提出了對該電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補償和諧波抑制的研究。現(xiàn)分析了50D電力系統(tǒng)中SCR和VFD電驅(qū)動系統(tǒng)諧波產(chǎn)生和功率因數(shù)低下的原因及危害，結(jié)合50D電力系統(tǒng)的實際情況，采用定性分析的方法，優(yōu)選出了適合該電力系統(tǒng)的TSC+TCR無功補償和諧波抑制方案。從實際使用情況來看，基本達(dá)到了補償效果，諧波也得到了抑制，極大地降低了燃油成本。

關(guān)鍵詞：燃油成本;無功補償;諧波抑制

0? ? 引言

在鉆井施工中，電力系統(tǒng)中的各種諧波污染多數(shù)來自于變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)，這也是給柴油發(fā)電機組成的小電網(wǎng)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重諧波污染的起因;而且SCR直流驅(qū)動系統(tǒng)的功率因數(shù)比較低，造成小電網(wǎng)系統(tǒng)供電效率低下，燃油消耗過大，這些都會增加我隊的生產(chǎn)成本。為了順應(yīng)石油市場的發(fā)展，降低成本，節(jié)能減排，減少消耗，改善50D電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量勢在必行。

在我國，抑制諧波的方法如下：首先，傳統(tǒng)的LC濾波器僅吸收固定頻率的諧波，而且該類濾波器容易產(chǎn)生共振，因此現(xiàn)在很少使用;第二個是現(xiàn)在常用的有源濾波器，但其仍處于工業(yè)應(yīng)用的實驗和研究階段，尤其是交互式能量和集成諧波HAPF的開發(fā)，其很難設(shè)計且比較昂貴;第三是混合過濾裝置，實踐證明，混合過濾的被動過濾和主動過濾相結(jié)合可以達(dá)到良好的過濾效果[1]。針對本公司50D電力系統(tǒng)，如何從諸多無功補償設(shè)備中選擇出適合這一特定系統(tǒng)的無功補償及諧波抑制裝置是本文分析的主要目的。

1? ? 50D鉆機電力驅(qū)動系統(tǒng)的組成

50D動力系統(tǒng)的發(fā)電部分使用3臺MTU柴油發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)來產(chǎn)生600 V和50 Hz的交流電。取決于現(xiàn)場負(fù)載條件，3套發(fā)電機可以以任意組合形式長期并聯(lián)使用。本文中的SCR電驅(qū)動系統(tǒng)中，共有6臺單臺功率為800 kW的直流電動機，VFD電驅(qū)動系統(tǒng)中有2臺單臺功率為400 kW的交流電動機。由于晶閘管的相移控制，輸出波形是部分截止的正弦波形，其中包含大量諧波分量。當(dāng)直流電動機設(shè)備從空載頻繁變?yōu)閹缀鯘M載時，無功功率的影響還將導(dǎo)致電源系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.8迅速下降到0.3，這將導(dǎo)致電壓急劇波動，從而大大降低電源質(zhì)量。因此，有必要對電力系統(tǒng)進(jìn)行實時無功補償和諧波抑制。

2? ? 50D鉆機電力系統(tǒng)無功補償和諧波抑制方案

2.1? ? 靜止無功補償裝置簡介

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及其在能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，一種靜態(tài)無功補償器（簡稱SVC）應(yīng)運而生，現(xiàn)已廣泛用于交互式能源補償中。SVC是全面管理電壓波動、諧波和電壓不平衡的重要設(shè)備，另一個是APF。APF是一種新型電力電子設(shè)備，可動態(tài)抑制諧波，實現(xiàn)無功補償。

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC技術(shù)又分為自飽和電抗器型（Self-Saturation Reactor，簡稱SSR）、晶閘管控制電抗器型（Thyristor Controlled Reactor，簡稱TCR）、晶閘管投切電容器型（Thyristor Switched Capacitor，簡稱TSC）[2]、高阻抗變壓器型（Thyristor Controlled Transformer，簡稱TCT）和勵磁控制的電抗器型（AR）。靜態(tài)無功補償裝置（SVC）的典型代表有晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）[1-2]。

2.2? ? SCR系統(tǒng)的無功分析

SCR系統(tǒng)整流器使用具有電阻負(fù)載的三相全控橋式整流器電路。當(dāng)忽略電流稀釋和紋波過程時，原理如圖1所示。

將交流橫向電抗器設(shè)置為零，并將直流L電感器設(shè)置為足夠大。以α=30°為例，此時，電流是一個正負(fù)半周期為120°的方波，有效值與直流之間的關(guān)系I=。

在SCR電動操作系統(tǒng)中，絞盤在啟動和下降時（30°<α<90°）經(jīng)常從空載變?yōu)閹缀鯘M載。當(dāng)鉆具滿負(fù)荷加載時，系統(tǒng)功率因數(shù)低至0.3～0.4;當(dāng)絞車閑置時，系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)為0.7～0.8，這是典型的無功功率負(fù)荷。從以上分析可以知道，SCR電力系統(tǒng)需要進(jìn)行實時動態(tài)能量補償，以減少系統(tǒng)的交互式功率波動[3]。

2.3? ? 靜止無功補償裝置的選擇

晶閘管控制電抗器（TCR）的重要特征在于，它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功電能，其響應(yīng)速度快，可以重復(fù)操作，適用于諧波較為嚴(yán)重的場合。晶閘管投切電容器（TSC）是通過控制晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷來使容量不等的電力電容器投入到電力系統(tǒng)中，其補償數(shù)值逐漸變化，控制方法簡單，但補償不能連續(xù)控制，諧波控制效果不好，工作可靠性低，一般與晶閘管控制電抗器（TCR）配合使用。

通過電能質(zhì)量分析儀測得50D電力系統(tǒng)在未使用無功補償設(shè)備時正常生產(chǎn)條件下某一工況的電能質(zhì)量情況，如表1所示。

考慮到該電力系統(tǒng)中的負(fù)載主要是電動機，因此它基本上是感性負(fù)載，并且具有大容量，需要補償?shù)娜萘恳草^大。

綜合以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）電力系統(tǒng)存在大量諧波，諧波主要分布在3次、5次、6次、11次、13次，電流諧波的幅值最大為117.6 A，電壓諧波總畸變率為6.8%左右。

（2）電力系統(tǒng)中主要以感性負(fù)荷為主，約占95%，且感性總?cè)萘枯^大。

（3）電力驅(qū)動設(shè)備從空載到滿載頻繁變化所產(chǎn)生的無功效應(yīng)會引起劇烈的電壓波動和電源質(zhì)量的嚴(yán)重下降，因此使用動態(tài)跟蹤補償更為合適。

（4）電力系統(tǒng)中以直流電動機驅(qū)動為主，造成系統(tǒng)功率因數(shù)低于0.5，占用發(fā)電機組容量較大。突出表現(xiàn)為：即使在僅使用單臺泥漿泵的情況下，也必須至少使用兩臺發(fā)電機才能夠滿足現(xiàn)場工作需要。

根據(jù)以上結(jié)果，對多種補償裝置進(jìn)行比較，如表2所示。

綜上所述，為了提高補償裝置的響應(yīng)速度，實現(xiàn)無功補償和諧波抑制，并提高補償裝置的性價比，補償電路采用TSC+

TCR的結(jié)構(gòu)，集中對電力系統(tǒng)的600 V母線進(jìn)行補償，以克服單獨使用TSC或TCR的缺點。晶閘管控制電容器（TSC）用于在抑制諧波的同時補償電力系統(tǒng)中的感應(yīng)無功功率，并與晶閘管控制電抗器（TCR）配合，不斷調(diào)節(jié)向網(wǎng)絡(luò)提供的無功功率的數(shù)量，從而改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，保障系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和質(zhì)量。

2.4? ? TSF-0.6/50動態(tài)無功補償及濾波裝置

某公司TSF-0.6/50動態(tài)無功補償及濾波裝置的性能指標(biāo)如表3所示。

3? ? 使用某公司TSF-0.6/50型動態(tài)無功補償及濾波裝置的效果

50D鉆機電力驅(qū)動系統(tǒng)投入使用某公司TSF-0.6/50型動態(tài)無功補償及濾波裝置后，600 V母線電力質(zhì)量和功率因數(shù)有了很大改善。通過投入無功補償及濾波裝置前后部分參數(shù)的對比（表4、表5）可知，此套無功補償及濾波裝置的補償效果良好。

以兩口相鄰生產(chǎn)井施工中，正常三開純鉆進(jìn)工況下（現(xiàn)實情況下一進(jìn)入三開就必須使用3臺柴油發(fā)電機），地質(zhì)情況和井深接近時為例，統(tǒng)計使用無功補償前后兩口井在滿足最低生產(chǎn)需求時的燃油消耗對比情況（以兩口井鉆井日報為準(zhǔn)，特殊情況除外），如表6所示。

由表6可看出，無功補償及濾波裝置投入使用后，該電力系統(tǒng)的諧波得到了較好的抑制，該系統(tǒng)的功率因數(shù)和電能質(zhì)量也得到了極大的改善，同時也在很大程度上降低了燃油消耗。

4? ? 結(jié)語

本文針對50D電驅(qū)動鉆機電力系統(tǒng)中SCR和VFD電驅(qū)動單元產(chǎn)生諧波較大和功率因數(shù)低下的問題，根據(jù)實測電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)，定性分析了電力系統(tǒng)存在的問題，選擇了TSC+TCR無功補償和諧波抑制方案，通過綜合比較，最終優(yōu)選了某公司生產(chǎn)的型號為TSF-0.6/50的動態(tài)無功補償及濾波裝置。從實際測得的數(shù)據(jù)來看，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場需要，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孟祥卿，蔣華東.電驅(qū)動石油鉆機電氣技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015.

[2] LUO A，PENG S J，WU C P，et al.Power Electronic Hybrid System for Load Balancing Compensation and Frequency-

Selective Harmonic Suppression[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（2）：723-732.

[3] 黨存祿，鄢家財，宋文超，等.石油鉆機SCR系統(tǒng)諧波抑制與無功補償[J].電力電子技術(shù)，2010，44（10）：104.

收稿日期：2020-03-16

作者簡介：王軍超（1982—），男，湖北棗陽人，工程師，現(xiàn)任土耳其項目SP011隊電氣工程師，研究方向：石油鉆機電驅(qū)動技術(shù)。