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(1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東 東營(yíng) 257061; 2.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

基于SOGI-FLL算法的油田電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償對(duì)策研究

李煒1,楊揚(yáng)2

(1.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng)257061; 2.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營(yíng)257061)

為了解決油田無(wú)功補(bǔ)償裝置爆電容現(xiàn)象，本課題在現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了采用晶閘管投切電容器與靜止無(wú)功發(fā)生器相結(jié)合的補(bǔ)償方案；將SOGI-FLL算法應(yīng)用于電壓精準(zhǔn)鎖相和無(wú)功功率的準(zhǔn)確計(jì)算中，其結(jié)果分別用于確定Matlab仿真模型中晶閘管投切電容器的投入時(shí)刻和提供靜止無(wú)功發(fā)生器的控制參考信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的有效控制；仿真結(jié)果表明，該方案不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率的有效補(bǔ)償，而且進(jìn)一步降低了油田配電網(wǎng)無(wú)功損耗，提高了功率因數(shù)。

SOGI-FLL;無(wú)功補(bǔ)償;晶閘管投切電容器;靜止無(wú)功發(fā)生器

0 引言

目前油田無(wú)功補(bǔ)償裝置一般采用手動(dòng)投切電容器，只有少數(shù)采油廠采用接觸器或晶閘管投切開(kāi)關(guān)，在抽油機(jī)的電控箱并接低壓電容器，抽油機(jī)無(wú)功補(bǔ)償最常見(jiàn)的補(bǔ)償方式仍是以無(wú)功平均值對(duì)其補(bǔ)償[1]。使用該方法補(bǔ)償后的功率因數(shù)雖然有所提升，但是存在能耗低、無(wú)功損耗明顯等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[2]利用大容量靜態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功電壓大幅調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償小幅波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各類無(wú)功補(bǔ)償之間協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)一套動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的二級(jí)電壓控制體系，有效進(jìn)行暫態(tài)電壓穩(wěn)定的預(yù)防控制。

本項(xiàng)目首先采集油田抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析油田現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置故障原因，建立晶閘管投切電容器MATLAB仿真模型。將SOGI-FLL(second order generalized integrator-FLL)算法用于電壓的精準(zhǔn)鎖相中，利用其濾波特性得到電源電壓與電容器端電壓之差的準(zhǔn)確過(guò)零點(diǎn)，在此處進(jìn)行電容器的投切，從而實(shí)現(xiàn)電容器投入時(shí)刻的精確控制。同時(shí)將SOGI-FLL用于無(wú)功功率的準(zhǔn)確計(jì)算，以得到準(zhǔn)確基波無(wú)功功率值，從而選擇合適的投切電容器組。研究靜止無(wú)功發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及算法，并搭建靜止無(wú)功發(fā)生器仿真模型，并將SOGI-FLL算法用于基波和諧波電流信號(hào)提取，為靜止無(wú)功發(fā)生器提供參考信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的有效控制，以補(bǔ)償晶閘管投切電容器未能補(bǔ)償?shù)氖Ｓ酂o(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)晶閘管投切電容器與靜止無(wú)功發(fā)生器相結(jié)合的無(wú)功補(bǔ)償方案。

1 油田無(wú)功補(bǔ)償裝置故障機(jī)理分析

雖然油田中抽油機(jī)無(wú)功功率具有較大的波動(dòng)，但是考慮到投入成本和運(yùn)行可靠性等因素，投切電容器仍作為油田配電網(wǎng)主要無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。目前，雖然油田配電網(wǎng)由于電容器大量投入運(yùn)行，功率因數(shù)一定程度得到提升，但是現(xiàn)場(chǎng)中電容器損壞現(xiàn)象頻繁，抽油機(jī)運(yùn)行維護(hù)困難，造成了爆電容故障，帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)損失。分析其主要原因有兩點(diǎn)，一個(gè)是過(guò)電壓,另一個(gè)是諧波過(guò)電流。為此深入研究爆電容現(xiàn)象的原因，通過(guò)理論分析得出合理應(yīng)對(duì)策略，目前油田無(wú)功補(bǔ)償裝置故障原因主要有：

1)異步電動(dòng)機(jī)和井口變壓器作為油田生產(chǎn)主要?jiǎng)恿?，兩者位置較近，變壓器輸出電壓高于抽油機(jī)額定電壓，這導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作電壓超過(guò)額定電壓，過(guò)高端電壓導(dǎo)致勵(lì)磁電流急劇升高，增加了系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償容量。

圖2 SOGI-FLL仿真模型

2)現(xiàn)有油田無(wú)功功率由于抽油機(jī)負(fù)載而存在較大波動(dòng)，采用3390功率分析儀采集的抽油機(jī)工作時(shí)的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和各次諧波含有率等參數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)無(wú)功功率的平均值選擇補(bǔ)償電容器，大部分時(shí)間無(wú)功功率是低于平均功率的，導(dǎo)致過(guò)補(bǔ)償。而由于固定電容器在發(fā)生過(guò)補(bǔ)償時(shí)無(wú)法調(diào)整補(bǔ)償容量，當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載時(shí)，進(jìn)一步加劇過(guò)補(bǔ)償，使電壓進(jìn)一步升高，出現(xiàn)過(guò)電壓損壞。

3)并聯(lián)電容器對(duì)系統(tǒng)諧波電流具有放大作用，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備產(chǎn)生不利影響，對(duì)電網(wǎng)安全造成威脅[4]。目前油田無(wú)功補(bǔ)償裝置可靠性差，需對(duì)目前油田無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行合理故障分析，提出預(yù)防策略。在考慮抽油機(jī)特殊負(fù)載前提下，提出一種基于SOGI-FLL鎖相環(huán)原理，準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)實(shí)時(shí)無(wú)功功率，計(jì)算出系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償水平，為油田無(wú)功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行提供保障；該算法還用于系統(tǒng)負(fù)載電流主要諧波的提取，為靜止無(wú)功發(fā)生器的控制信號(hào)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償抽油機(jī)無(wú)功功率。

2 SOGI-FLL鎖相環(huán)算法理論研究

實(shí)時(shí)相位信息在許多靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、可控交直流變換器、有源濾波器、不間斷電源等系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算及各自參考坐標(biāo)變換的主要標(biāo)準(zhǔn)[5]。而電力系統(tǒng)中諧波的存在、電容器瞬時(shí)投切的擾動(dòng)、電網(wǎng)換相造成整流器陷波、電網(wǎng)電壓驟降引起的相位跳變及頻率波動(dòng)和電網(wǎng)的三相電壓不平衡等因素會(huì)影響基波信號(hào)頻率和相位測(cè)量的精度[6]。因此，找到一種在各種擾動(dòng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相位同步的方法具有重要的實(shí)際意義。

鎖相環(huán)(PLL)是獲得準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)相位信息的最普遍的相位同步方法。最典型的鎖相環(huán)由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成[7]，其結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)框圖

鑒相器獲得輸入電壓ui與輸出電壓uo的相位差，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器得到壓控振蕩器的控制電壓uc，壓控振蕩器的振蕩頻率由其控制電壓uc決定，當(dāng)uc=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的振蕩頻率稱為VCO的固有頻率，鑒相器的輸出信號(hào)與減小VCO振蕩頻率與輸入信號(hào)之差的方向變化同步，從而實(shí)現(xiàn)振蕩器頻率鎖定輸入信號(hào)頻率，此過(guò)程即為鎖相環(huán)鎖相位的過(guò)程[8]。目前較成熟的鎖相技術(shù)有：基于功率的單相數(shù)字鎖相環(huán)pPLL；增強(qiáng)型單項(xiàng)數(shù)字鎖相環(huán)EPLL；反派克變換單相數(shù)字鎖相環(huán)；二階廣義積分器鎖頻環(huán)(SOGI-FLL)等[9]。本文選用SOGI算法與SRF算法相結(jié)合后SOGI-PLL算法，該方法相比其他幾種方法，響應(yīng)速度快、參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單、抗干擾性能力強(qiáng)等特點(diǎn)。選用該方法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓準(zhǔn)確鎖相。其中SOGI算法為正交分量的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，PLL環(huán)節(jié)為SOGI提供輸入信號(hào)角頻率，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的頻率自適應(yīng)，得到輸入信號(hào)的準(zhǔn)確幅值信息。

使用Matlab中的simulink功能搭建SOGI-QSG算法與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)SRF-FLL相結(jié)合的SOGI-FLL模型，對(duì)其鎖相性能及相位提取新能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。整體仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2中可以看出，在兩個(gè)周波的時(shí)間，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)完全重合，經(jīng)過(guò)模型處理后，系統(tǒng)諧波被抑制，基波信號(hào)被提取。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中相位信息提取原理是利用SOGI-QSG產(chǎn)生的正交信號(hào)作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換中所需α與β分量，然后對(duì)變換后的dq軸分量進(jìn)行d軸定向，即q軸分量通過(guò)反饋閉環(huán)控制其為零，而在此過(guò)程中便可實(shí)現(xiàn)輸出相位與輸入信號(hào)的相位相同，因?yàn)閮H在兩者相等的情況下，q軸分量才可為零。其大致流程如下，圖3為SRF鎖相環(huán)框圖。

圖3 SRF鎖相環(huán)框圖

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換矩陣形式如下:

(1)

則q軸分量為:

uq=-Umcosθsinφ+Umsinθcosφ

(2)

經(jīng)整理可得:

uq=Umsin(θ-φ)

(3)

在輸出信號(hào)逼近輸入信號(hào)的過(guò)程中，當(dāng)相位差較小時(shí)，上式可通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)進(jìn)行線性化，正弦信號(hào)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式如公式(4)、(5)：

(4)

(5)

因此可得線性化后的q軸分量，如公式(6):

uq=Um(θ-φ)

(6)

該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)著鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中的鑒相器，得到該誤差信號(hào)后，利用PI調(diào)節(jié)器作為環(huán)路濾波器以得到角頻率，因?yàn)榈谌齻€(gè)環(huán)節(jié)為壓控震蕩環(huán)節(jié)，故而需要一個(gè)穩(wěn)定的控制電壓，當(dāng)鑒相器輸出誤差信號(hào)為零時(shí)，PI調(diào)節(jié)器可得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出作為壓控振蕩器的控制電壓。

(7)

該式即為PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，其比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)增益可由鎖相環(huán)的整體傳遞函數(shù)得出，因此需要由此寫出SRF-FLL的整體傳遞函數(shù)，如公式(8):

(8)

因?yàn)橄到y(tǒng)最終輸出的是輸入信號(hào)的相位信息(單位為弧度)，故而需要知道當(dāng)前輸入信號(hào)的頻率，而對(duì)頻率的積分即為相位，即下式所示，因此該鎖相環(huán)中壓控振蕩環(huán)節(jié)采用一個(gè)積分器實(shí)現(xiàn)。

(9)

鎖相環(huán)整體傳遞函數(shù)已知，由于其是二階系統(tǒng)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理可知，二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)型如公式(10):

(10)

由此可得系統(tǒng)的阻尼比和自然震蕩角頻率如公式(11):

(11)

在本項(xiàng)目中系統(tǒng)輸入信號(hào)電壓幅值為311 V，系統(tǒng)電壓頻率為50 Hz，設(shè)計(jì)本鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)阻尼比為1，則可得PI調(diào)節(jié)器參數(shù)如公式(12)、(13):

(12)

(13)

通過(guò)仿真可得鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的頻率估計(jì)如圖4所示。

圖4 頻率估計(jì)示意圖

可見(jiàn)在近兩個(gè)周波后頻率穩(wěn)定在50 Hz，相位按照0～2 π周期循環(huán)。頻率信號(hào)中，剛開(kāi)始階段的波動(dòng)是由于SOGI-QSG算法同樣需要僅一個(gè)周波的時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鎖相所導(dǎo)致，同時(shí)其所需的輸入信號(hào)角頻率是由PLL環(huán)節(jié)提供，而PLL環(huán)節(jié)則需要前者提供正交信號(hào)，兩者相互依賴，因此在鎖相的開(kāi)始階段存在一定的波動(dòng)。但從整體而言，該算法具有計(jì)算穩(wěn)定速度快、計(jì)算值精確和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

3 基于SOGI-FLL鎖相算法的無(wú)功補(bǔ)償策略

3.1 晶閘管投切電容器無(wú)功補(bǔ)償策略

晶閘管投切電容器，可以根據(jù)系統(tǒng)所需無(wú)功功率的大小，選擇合適的電容器組投入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。但是抽油機(jī)負(fù)荷波動(dòng)劇烈，若根據(jù)其平均值進(jìn)行固定電容無(wú)功補(bǔ)償，容易出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r，因此提出采用晶閘管投切電容器補(bǔ)償系統(tǒng)最小值方案。本文應(yīng)用SOGI-FLL鎖相算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功功率準(zhǔn)確計(jì)算，記錄大于抽油機(jī)一個(gè)完整沖程各時(shí)刻所需無(wú)功容量，計(jì)算出無(wú)功最小值，準(zhǔn)確控制電容器的投切時(shí)刻。根據(jù)無(wú)功功率的不同，投入不同容量的電容器組，考慮本項(xiàng)目實(shí)際補(bǔ)償對(duì)象的特殊性，在最小無(wú)功的基礎(chǔ)上，增設(shè)多個(gè)小電容備用，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率最小補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整。

使用Matlab中的Simulink搭建晶閘管投切電容器仿真模型，圖5為TSC整體仿真模型圖，圖6為功率計(jì)算部分仿真模型。

圖5 TSC整體仿真模型圖

圖6 功率計(jì)算部分仿真模型

3.1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)置當(dāng)前模型無(wú)功功率為14 900 var，有功功率為5 220 W。設(shè)計(jì)電容器組分別為10 000 var和3個(gè)2 500 var。采用SOGI-FLL算法對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相無(wú)功功率計(jì)算和simulink自帶無(wú)功功率計(jì)算兩種方法，進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。三相電壓幅值按照實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)為V，三相電壓電流采集模塊設(shè)置為相電壓，因?yàn)橄到y(tǒng)自帶的功率計(jì)算模塊輸入信號(hào)為相電壓，功率計(jì)算仿真模型如圖7所示。

圖7 功率計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6中power模塊為系統(tǒng)自帶功率測(cè)量模塊，與SOGI—FLL無(wú)功功率計(jì)算方法對(duì)比，SOGI-FLL算法對(duì)電網(wǎng)功率波動(dòng)響應(yīng)較為迅速，并沒(méi)有出現(xiàn)大范圍功率波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定后兩者無(wú)功功率計(jì)算值為2 462.59和2 462.64幾乎相等。并且諧波情況下，系統(tǒng)自帶功率模塊不具備濾波能力，所以SOGI-FLL算法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)

確定所需無(wú)功功率數(shù)值，采用SOGI-FLL算法對(duì)晶閘管端電壓進(jìn)行鎖相濾波，以準(zhǔn)確控制電容器投切時(shí)刻。采用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模擬DSP寄存器功能在得到要投切電容器的信號(hào)后，需要產(chǎn)生觸發(fā)脈沖令相應(yīng)的晶閘管在其端電壓為零時(shí)導(dǎo)通。同時(shí)在上一組電容器投切后，需要給與一定的延時(shí)再投入該組電容器，以防止無(wú)功功率的劇烈波動(dòng)引起系統(tǒng)振蕩。圖8為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模型，圖9為電容器組投切判斷。

圖8 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模型

圖9 電容器組投切判斷

整個(gè)TSC仿真模型搭建完成，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)功功率測(cè)量值

圖10 系統(tǒng)電壓電流圖

圖10上圖為系統(tǒng)電壓波形，下圖為系統(tǒng)電流波形，電容器組在0.06和0.08秒分別投入，由圖中可知，在兩個(gè)投入時(shí)刻系統(tǒng)電流為發(fā)生任何沖擊，同時(shí)，系統(tǒng)電流在第一組電容器組投入后，由原來(lái)的34 A變?yōu)榱?5.5 A，在第二組電容器組投入后，系統(tǒng)電流由15.5 A變?yōu)?2.4 A，系統(tǒng)電流的明顯減小意味著系統(tǒng)在線路上的損耗降低，其與系統(tǒng)電壓之間的相位差也在電容器的投入后不斷減小，因此系統(tǒng)功率因數(shù)得以提高。

3.2 靜止無(wú)功補(bǔ)償發(fā)生器無(wú)功補(bǔ)償策略

本文為改善油田配電網(wǎng)電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)晶閘管投切電容器與靜止無(wú)功發(fā)生器相配合。在晶閘管投切電容器補(bǔ)償最小無(wú)功的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)無(wú)功功率將有精致無(wú)功發(fā)生器補(bǔ)償。本項(xiàng)目采用指甲電流控制方式對(duì)電流瞬時(shí)值進(jìn)行跟蹤控制，采用SOGI-FLL算法提取基波和各次諧波分量。使用MATLAB中的Simulink搭建了靜止無(wú)功發(fā)生器的仿真模型如圖11所示。

圖11 SVG整體仿真模型

該模型采用simulink自帶的IGBT全橋電路，交流測(cè)經(jīng)過(guò)3個(gè)電感接入電網(wǎng)，采集直流母線電容電壓，電流模塊采集負(fù)載電流，通過(guò)SOGI-FLL算法計(jì)算基波和各次諧波分量，得出補(bǔ)償電流指令信號(hào)。

圖12中首先對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行了32變換，并利用SOGI-FLL算法得到其相位信息，之后利用該相位信息對(duì)電網(wǎng)電流信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，橙色模塊輸出即為補(bǔ)償電流信號(hào)。通過(guò)電壓電流雙閉環(huán)對(duì)直流母線電壓及輸出電流進(jìn)行控制，最后再將其轉(zhuǎn)換為α-β坐標(biāo)系，用于產(chǎn)生相應(yīng)的SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖12 控制部分仿真模型

直流母線電壓主要是由有功功率支撐，因此需要控制變換器從電網(wǎng)中吸取一部分的有功電流。因此由圖13可知，上半部分為直流母線電壓反饋，電壓外環(huán)將直流母線電壓經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電流給定信號(hào)，以穩(wěn)定直流母線電壓，電流內(nèi)環(huán)用于控制有功電流的大小，將有功電流反饋與電壓外環(huán)得到的電流給定信號(hào)作差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到最終的SVPWM給定信號(hào)。下半部分為無(wú)功電流的控制環(huán)，無(wú)功電流給定為SOGI-FLL提取出來(lái)的負(fù)載電流基波無(wú)功信號(hào)，通過(guò)與實(shí)時(shí)的SVG輸出電流無(wú)功電流信號(hào)進(jìn)行作差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，使SVG最終的輸出電流與負(fù)載的基波無(wú)功電流分量相等，當(dāng)負(fù)載無(wú)功功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，SVG將控制其輸出的無(wú)功電流與之相等，從而完成了無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

圖13 電壓電流雙閉環(huán)仿真模型

4 硬件平臺(tái)制作與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接如圖14所示，采用TMS320F28335作為核心處理器，對(duì)采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，為控制系統(tǒng)提供控制信號(hào)。系統(tǒng)需要一個(gè)3 V的電壓基準(zhǔn)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和電壓、電流采樣調(diào)理電路，電流采樣電路是系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集抽油機(jī)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)差分放大電路，再經(jīng)過(guò)一級(jí)由電阻分壓形式的3 V抬升電路、濾波器，以消除系統(tǒng)中高頻干擾。電壓采樣電路采用TV19G電流型互感器，IGBT主電路分別采用單個(gè)IGBT搭建三相橋式電路和3個(gè)雙向晶閘管。系統(tǒng)軟件采用德州儀器公司的CCS V6進(jìn)行程序編寫，大致工作流程如下：控制電接通后，軟起繼電器閉合，裝置直流母線開(kāi)始升壓，在電壓上升到不控整流的最大值后，軟起電路切除，此時(shí)系統(tǒng)處于等待開(kāi)機(jī)狀態(tài)，按開(kāi)機(jī)鍵后，系統(tǒng)電壓環(huán)首先工作，直流母線電壓在電壓外環(huán)的控制下進(jìn)一步升高，再次按開(kāi)機(jī)鍵后，系統(tǒng)開(kāi)始工作，電流內(nèi)環(huán)根據(jù)電壓環(huán)輸出及SOGI-FLL所得系統(tǒng)負(fù)載電流的電流指令得到電壓指令，電壓指令給到SVPWM調(diào)制程序后可得到六路的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖14 硬件連接示意圖

油田某抽油機(jī)未接入任何裝置時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功功率波形如圖15所示，由圖15可知此時(shí)系統(tǒng)無(wú)功功率在10.5～12 kvar之間波動(dòng)。

圖15 未接入任何裝置時(shí)無(wú)功功率波形

此處本裝置先將并聯(lián)電容器接入系統(tǒng)，接入系統(tǒng)后無(wú)功功率波形如圖16，系統(tǒng)無(wú)功功率在接入電容器后明顯減小，其在2 kvar至3.25 kvar間波動(dòng)，電壓有效值有一定的提升。平均功率因數(shù)為0.77。雖然系統(tǒng)無(wú)功功率有了明顯的降低，但系統(tǒng)諧波電流被一定程度地放大了，系統(tǒng)主要次諧波電流為：五次諧波：1.24 A；七次諧波：1.50 A。

圖16 接入電容器后系統(tǒng)無(wú)功功率

在本裝置運(yùn)行后，系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)一步地降低，其均值為0.45 kvar，但波形中出現(xiàn)了較多的毛刺。

圖17 裝置運(yùn)行后系統(tǒng)無(wú)功功率

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在本裝置運(yùn)行后，系統(tǒng)無(wú)功功率得到了較高的補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)均在0.9以上，滿足項(xiàng)目的要求。但同時(shí)也可觀察到在裝置運(yùn)行后系統(tǒng)無(wú)功功率并不是完全的零，且存在較多的毛刺。

4 結(jié)論

目前在油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生爆電容現(xiàn)象。從而使無(wú)功補(bǔ)償裝置失去作用，低壓配電網(wǎng)功率因數(shù)下降，造成了無(wú)功損耗增加。因此，針對(duì)油田現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行故障分析，并研究出相應(yīng)的對(duì)策?；赟OGI-FLL算法的準(zhǔn)確鎖相，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量。該算法為實(shí)時(shí)算法，保證了無(wú)功功率的實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流中主要次諧波的信號(hào)提取，以此作為靜止無(wú)功發(fā)生器的控制信號(hào)進(jìn)行諧波抑制，以此為電容器的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。針對(duì)抽油機(jī)無(wú)功功率的波動(dòng)性，提出采用晶閘管投切電容器的方式補(bǔ)償非波動(dòng)無(wú)功功率的絕大部分，剩余的無(wú)功功率由靜止無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行補(bǔ)償。此方案不僅可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，同時(shí)也有效地降低了裝置成本。考慮到現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)負(fù)載情況的不同，增加并聯(lián)電容器的投切能力，針對(duì)不同大小的靜態(tài)無(wú)功功率可自行調(diào)節(jié)。目前裝置僅對(duì)系統(tǒng)的主要次諧波電流進(jìn)行了抑制，因此需進(jìn)一步提高裝置的諧波抑制能力，從而進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

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DynamicReactivePowerCompensationMeasuresBasedonOilFieldPowerSOGI-FLLAlgorithm

Li Wei1,Yang Yang2

(1.Shengli Oilfield Technical Inspection Center, Dongying 257061,China; 2.ShengLi College,China University of Petroleum, Dongying 257061)

In order to solve the electric capacity of oil field reactive power compensation device, based on the existing problems of reactive power compensation device, a compensation scheme combining thyristor switching capacitor and static var generator is proposed in this paper. And the SOGI-FLL algorithm is applied to the exact calculation of the voltage precision lock-in and reactive power. The outcome are used to determine the capacitor input time of the Matlab simulation model of thyristor switching capacitor and to provide the control reference signal of the static var generator, So as to realize effective control of harmonic and reactive current. The simulation results show that the scheme not only realizes the reactive power compensation effectively, but also reduces the reactive power loss of oil field distribution network and improves the power factor.

SOGI-FLL; reactive power compensation; thyristor switching capacitor; static var generator

2017-03-22；

2017-04-11。

中石化科研項(xiàng)目(135032) 。

李 煒(1981-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布市人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0176-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.045

TP33

A