韓飛（大慶石油管理局技術監(jiān)督中心）

油田抽油機由于特殊的工作性質、復雜的井下工況，以及載荷的無規(guī)律變化，是造成電動機故障的主要原因。NPC三電平調壓保護控制裝置通過對三電平的監(jiān)測控制，實現(xiàn)負載發(fā)生變化時，預先完成輸出電壓和功率設定，實時滿足電動機需要的輸入電壓和功率，達到節(jié)能預警和瞬時響應保護電動機的目的；同時具備有功節(jié)電、無功節(jié)電、變頻調參、工況預判和保護電動機的功能，可靠性和穩(wěn)定性均有極大提升[1]。

變頻器由整流器、電容器、逆變器和制動單元等組成。其中逆變器是變頻器技術的核心，所以逆變器的安全穩(wěn)定運行直接反映出變頻器優(yōu)劣。

1 技術現(xiàn)狀

目前提高多電平逆變器的可靠性主要通過以下方法：

1）逆變器的并聯(lián)運行。采用2 個或多個逆變器并聯(lián)運行，不僅可以有效增加系統(tǒng)的可靠性，而且可以增大逆變器的容量，減小輸出電流諧波。但該方法造成系統(tǒng)的結構非常復雜，控制比較困難，并且存在環(huán)流和均流問題，實際應用范圍較小。

2）逆變器采用模塊化結構。逆變器的每個橋臂都采用模塊化設計，每個模塊都設計成方便拆卸和安裝的形式。當逆變器的某一器件發(fā)生故障時，直接更換整個模塊，在最短的時間內恢復逆變系統(tǒng)的運行。此方法盡管有效地縮短了系統(tǒng)的故障時間，但一旦發(fā)生故障仍必須緊急停機，不能考慮所驅動設備的實際運行要求，并且要預留充足的備用模塊。

3）逆變器硬件拓撲采用冗余結構。借鑒目前電力電子領域正在研究的三相四橋臂逆變器拓撲結構，系統(tǒng)另外設計附加的1個橋臂。當逆變器的某一器件發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)通過附加的橋臂繼續(xù)維持系統(tǒng)的運行，直到設備允許停機時維修損壞器件。此方法可以做到系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行，缺點是系統(tǒng)的結構和控制方法復雜，系統(tǒng)的硬件成本增大。

以上方法都是從系統(tǒng)的硬件及拓撲結構方面來提高逆變器的運行可靠性，沒有充分利用多電平逆變器本身具有的軟件控制方法上的冗余特性，并且成本較高，運行安全隱患多，可靠性較低[2-3]。

2 NPC三電平調壓保護控制裝置原理

NPC三電平調壓保護控制裝置使用一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，利用NPC三電平逆變器空間電壓矢量的冗余特性，通過軟件方法實現(xiàn)NPC三電平逆變器在故障情況下繼續(xù)運行；根據(jù)負載變化實時調整輸出電壓，并可根據(jù)需要自動/手動設定輸出頻率，從而實現(xiàn)抽油機生產(chǎn)的閉環(huán)控制，在不增加系統(tǒng)硬件成本的基礎上，有效地保護電動機，提高系統(tǒng)的可靠性。圖1為NPC三電平調壓保護控制裝置原理，其特點如下：

1）實時對逆變器各種器件故障進行檢測，確定故障的位置及類型，形成與故障類型和位置對應的故障碼。

2）按照不同的故障碼確定不同故障狀態(tài)下?lián)p失的電壓矢量，繪出故障狀態(tài)的空間電壓矢量分布圖。

3）分析此故障狀態(tài)下逆變器是否能夠繼續(xù)運行，即是否還能合成旋轉參考空間電壓矢量。

4）分析此故障狀態(tài)下逆變器是否需要降級運行，即計算合成的旋轉參考電壓矢量的最大幅值，是否依然能夠形成長電壓矢量構成的正六邊形內切圓。

5）對于能夠繼續(xù)運行的狀態(tài)，采用SVPWM方法進行合成矢量的選擇，各矢量作用時間的計算及各矢量切換順序的優(yōu)化。

圖1 NPC三電平調壓保護控制裝置原理

2.1 NPC三電平逆變器A相故障損失O狀態(tài)

圖2 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失O 狀態(tài)時空間電壓矢量分布。當A相開關管發(fā)生下列四種故障之一時A 相損失O 狀態(tài)： S1短路、 S2短路、D1開路、 D2開路。A 相損失O 狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量( )OOO 、小矢量 （ONO 、 ONN 、OON 、OPO 、OPP 、OOP）、中矢量 （OPN 、ONP）和大矢量( )NPP、PNN 。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當參考空間電壓矢量位于第二和第五扇區(qū)時，損失的中矢量沒有冗余矢量，此時使用零矢量和兩個大矢量來合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度與正常狀態(tài)相同，逆變器仍可原級運行。

2.2 NPC三電平逆變器A相故障損失P狀態(tài)

圖3 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失P 狀態(tài)時空間電壓矢量分布。當A相開關管發(fā)生下列四種故障之一時A 相損失P 狀態(tài)： S1開路、 S3短路、D1開路。A相損失P狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量( PPP )、小矢量（PPO、 POO、 POP）、中矢量（ PON 、 PNO ） 和 大 矢 量 （ PPN 、 PNN 、PNP）。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當參考空間電壓矢量位于第一和第六扇區(qū)時，損失的中矢量沒有冗余矢量；位于第一、第二、第五和第六扇區(qū)時，損失的大矢量沒有冗余矢量，此時整個周期都利用零矢量和小矢量來合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度減小為原來的1/2，逆變器降級運行。

圖2 A相故障損失O狀態(tài)

圖3 A相故障損失P狀態(tài)

2.3 NPC三電平逆變器A相故障損失N狀態(tài)

圖4 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失N 狀態(tài)時空間電壓矢量分布。當A相開關管發(fā)生下列三種故障之一時A 相損失N 狀態(tài)： S2短路、 D2短路、S4開路。A相損失N狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量、小矢量（NON 、NOO、NNO）、中矢量（ NPO 、 NOP ） 和 大 矢 量 （ NPN 、 NPP 、NNP）。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當參考空間電壓矢量位于第三和第四扇區(qū)時，損失的中矢量沒有冗余矢量；位于第二、第三、第四和第五扇區(qū)時，損失的大矢量沒有冗余矢量，此時整個周期都利用零矢量和小矢量來合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度減小為原來的1/2，逆變器降級運行[4-5]。

圖4 A相故障損失N狀態(tài)

3 應用效果

在油田某采油廠對1臺安裝了NPC三電平調壓保護控制裝置的抽油機進行了現(xiàn)場測試。通過使用NPC 三電平調壓保護控制裝置進行前后對比測試，1臺抽油機安裝前功率因數(shù)為0.737 0，安裝后功率因數(shù)為0.850 8。

通過前后對比測試節(jié)能效果（表1）如下：

表1 使用NPC三電平調壓保護控制裝置前后對比測試節(jié)能效果

節(jié)能率為4.87%；該設備的年節(jié)電量按300 天計算，年節(jié)電量為1 850.4 kWh。

4 結論

通過對抽油機井應用NPC三電平調壓保護控制裝置前后對比測試，結論如下：

1）有零速轉矩保持功能。

2）低速轉距矢量環(huán)的調節(jié)增加了電動機的低速轉矩相應。

3）控制方便，可在本地和遠程之間控制切換，同時也可以切換工頻運行和變頻控制運行。

4）有快速限流功能，保證系統(tǒng)的正常運行。

5）有良好的保護功能，可以實現(xiàn)對抽油機電動機的過載、過流保護，抽油桿斷裂保護等，確保抽油機的安全運行。

6）可以有效提高節(jié)能率，節(jié)能效果顯著。