陳淑春,王文忠,白日欣（.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)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(wú)功發(fā)生器在低壓鉆井工程中的應(yīng)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(xué)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(duì)當(dāng)前低壓鉆井工程中傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償存在的投切延時(shí)長(zhǎng)、沖擊性大、有過(guò)補(bǔ)/欠補(bǔ)、投入大和成本高等缺點(diǎn)[1]，提出了采用全控型大功率電力電子器件IGBT進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(yàn)了控制方法的可能性。結(jié)合工程實(shí)際驗(yàn)證了靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG(StaticVarGenerator)更快、更高效、更經(jīng)濟(jì)的解決了傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備存在的問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期效果。

低壓；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；橋式結(jié)構(gòu)；模糊PI控制；SVG

1　概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步，加上電力電子技術(shù)的普通應(yīng)用，電力網(wǎng)負(fù)荷急劇增大，特別是非線(xiàn)性負(fù)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(dòng)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(jī)車(chē)、新能源發(fā)電、石油和天然氣開(kāi)采等，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊笈c日俱增。

大部分鉆井行業(yè)是典型運(yùn)行的低壓小電網(wǎng)，大量無(wú)功損耗嚴(yán)重影響企業(yè)效益和利益。因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)直流鉆機(jī)在工作中需要進(jìn)行交、直流變換會(huì)產(chǎn)生28%以上的諧波分量，諧波會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，并對(duì)鉆井井場(chǎng)用電設(shè)備產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致一些精密設(shè)備無(wú)法正常工作，同時(shí)“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(yùn)行，大量電流被無(wú)功消耗，發(fā)電機(jī)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(jìn)行無(wú)功分析和補(bǔ)償顯得尤為重要。本文采用靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG在低壓鉆井系統(tǒng)中補(bǔ)償調(diào)節(jié)無(wú)功達(dá)到了預(yù)期效果。

2　SVG介紹

2.1SVG特點(diǎn)

靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG具有分相調(diào)節(jié)、模塊化補(bǔ)償特點(diǎn)，可使功率因數(shù)提高到0.98以上，反應(yīng)速度快，補(bǔ)償時(shí)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(jià)格成本低，體積小、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。因此，在電動(dòng)鉆機(jī)系統(tǒng)中配套SVG節(jié)能裝置，對(duì)于提高電能的無(wú)功功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波濾波問(wèn)題，對(duì)于提高電腦質(zhì)量及設(shè)備安全穩(wěn)定高效運(yùn)行具有重要意義。

2.2SVG電路結(jié)構(gòu)

考慮工程實(shí)際需要，本文設(shè)計(jì)的SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用電壓型橋式電路實(shí)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(shí)產(chǎn)生的諧波。直流側(cè)接電容作為儲(chǔ)能元件，已消除實(shí)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(duì)于電壓型橋式電路的SVG來(lái)說(shuō)，工作過(guò)程可等效為一個(gè)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(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)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(jìn)而可以使該SVG發(fā)出或吸收目標(biāo)無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

3　鉆井系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償方案確定

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

本項(xiàng)目涉及的鉆機(jī)系統(tǒng)有4臺(tái)鉆井機(jī)，外加照明燈附屬設(shè)備，滿(mǎn)載發(fā)電時(shí)無(wú)功需求量為1000KVAR，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)月工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)，絕大部分時(shí)間工況不是4臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)發(fā)電運(yùn)行，一般無(wú)功需求量在700KVAR的以下，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，處于節(jié)約資源考慮，把700KVAR的無(wú)功需求量作為SVG的上限設(shè)計(jì)，如果無(wú)功需求超過(guò)700KVAR時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，由人工啟動(dòng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)無(wú)功，這樣就有效提高了發(fā)電機(jī)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(shí)減小了SVG的體積，是既經(jīng)濟(jì)友環(huán)保的選擇。因此，本項(xiàng)目確定將無(wú)功儲(chǔ)能思想和協(xié)調(diào)控制策略應(yīng)用于綜合并聯(lián)補(bǔ)償方案。

4　控制方法的實(shí)現(xiàn)

控制回路設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)輸入電流、電壓的轉(zhuǎn)換和控制，從而得到控制開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖，控制SVG橋壁的通斷達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)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?？刂圃砣鐖D：

5　實(shí)例分析

本文針對(duì)4套鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為自控平臺(tái)主站，根據(jù)鉆井在滿(mǎn)載和空載時(shí)的負(fù)荷狀況，設(shè)計(jì)了靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG，從SVG投入后無(wú)功輸出、電壓偏差、電壓波動(dòng)、電壓諧波含量波形圖可以看出，SVG跟蹤和響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的電壓偏差和波動(dòng)，系統(tǒng)的三項(xiàng)不平衡，裝置的諧波含量都在都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，裝置投入后對(duì)鉆井工程中獨(dú)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(cè)試的時(shí)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(biāo)稱(chēng)電壓為600V。

電壓偏差=（最高電壓-最低電壓）/系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓=1.1%。當(dāng)SVG投入運(yùn)行后系統(tǒng)的電壓偏差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

由上圖數(shù)據(jù)可知：在測(cè)試的時(shí)間，內(nèi)光標(biāo)的位置為兩個(gè)相鄰極值差值最大的。極值分別為601V、589V。系統(tǒng)相電壓的標(biāo)稱(chēng)電壓為604V。

電壓波動(dòng)=（兩個(gè)相鄰極值差）/系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓=1.9%。當(dāng)SVG投入運(yùn)行后系統(tǒng)的電壓波動(dòng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

由上圖可知：光標(biāo)確定的地方為諧波電壓最大的點(diǎn)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(duì)比現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)后，確定了靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生器SVG補(bǔ)償石油鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)功失量，將無(wú)功儲(chǔ)能思想和協(xié)調(diào)控制策略用于綜合并聯(lián)補(bǔ)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(mǎn)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(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器聯(lián)合統(tǒng)一控制，這樣SVG裝置整體動(dòng)態(tài)性能好，智能化水平更高。

[1]鄢家財(cái).靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的研究和應(yīng)用[D].蘭州理工大學(xué),2011.

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

河北省保定市科技局科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目項(xiàng)目編號(hào)13ZG027