穆紅燕

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井工程研究院，天津 300451

電動(dòng)鉆機(jī)井場(chǎng)電網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組同步并網(wǎng)運(yùn)行，組成一個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)系統(tǒng)為電動(dòng)鉆機(jī)等負(fù)載供電[1]。電動(dòng)鉆機(jī)主要負(fù)載為運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)絞車、轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）、泥漿泵等大功率交、直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速分別由交、直流調(diào)速器控制，從而使電網(wǎng)輸出功率的80%經(jīng)過基于電力電子器件的調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)[2]。電力電子調(diào)速系統(tǒng)均為非線性感性用電負(fù)荷，由此造成井場(chǎng)電網(wǎng)功率因數(shù)低，同時(shí)產(chǎn)生諧波電流[3]，降低了電網(wǎng)的供電能力，造成了資源和能源的浪費(fèi)[4]。

晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）憑借其可靠性高、運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波、自身?yè)p耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前無功補(bǔ)償裝置領(lǐng)域的主力軍。因?yàn)榭赡軙?huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償以及投切振蕩等問題，所以如何依據(jù)實(shí)時(shí)井場(chǎng)電網(wǎng)參數(shù)準(zhǔn)確地投入適補(bǔ)的電容器成為TSC無功補(bǔ)償裝置需要解決的首要問題[5]。目前并聯(lián)電容器的分組方式有多種，較常見的有二進(jìn)制分組、等容分組以及混合分組，在應(yīng)用時(shí)往往要結(jié)合實(shí)際工況和電網(wǎng)狀況來選擇適合的分組方式。本文設(shè)計(jì)了一種井場(chǎng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償控制器，該控制器在硬件上由高精度計(jì)量芯片ATT7022E和高速單片機(jī)GD32F103RCT6架構(gòu)，其投切策略基于模糊控制理論并加以改進(jìn)。該控制器不但適應(yīng)并聯(lián)電容器的任意分組方式而且能有效避免投切振蕩，可滿足井場(chǎng)電網(wǎng)無功功率頻繁變化的應(yīng)用需求。

1 無功補(bǔ)償裝置的主電路結(jié)構(gòu)

TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路接線方式可分為三角形接法、星形接法以及三角形和星形相結(jié)合接法。星形接線對(duì)應(yīng)于三相分補(bǔ)方式，適用于三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合；三角形接線對(duì)應(yīng)于三相共補(bǔ)方式，適用于三相負(fù)載基本平衡的場(chǎng)合。由于電動(dòng)鉆機(jī)井場(chǎng)電網(wǎng)負(fù)載均為三相對(duì)稱負(fù)荷，因此選用三角形接線方式，并且該方式不出現(xiàn)3次及3倍次諧波電流[6]。本文提出了一種TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路

該主電路采用角外控制的三角形接線方式，其各組電容器容量比：C1/C2/…/Cn=x1/x2/…/xn。其中：x1/x2/…/xn可為1/1/…/1（等容分組），也可為2n-1/2n/…/1（二進(jìn)制分組），或?yàn)槿我獗戎担ɑ旌戏纸M）。具體容量比在應(yīng)用時(shí)結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)狀況進(jìn)行選擇即可。補(bǔ)償容量Q計(jì)算公式為：

式中：P為有功功率，Φ為補(bǔ)償前功率因數(shù)角，Φ'為補(bǔ)償后功率因數(shù)角。串聯(lián)電抗器的電抗率依據(jù)電網(wǎng)諧波狀況選取，僅用于限制投切涌流時(shí)，電抗率取0.1%～1.0%。

該TSC補(bǔ)償裝置主電路結(jié)構(gòu)可滿足井場(chǎng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償需求，具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2 控制器的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)井場(chǎng)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償需要實(shí)時(shí)獲得電網(wǎng)的一系列參數(shù)，包括電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、電流與電壓之間的相位差等。本控制器采用高精度計(jì)量芯片ATT7022E來采集這些參數(shù)，并將所采集到的各參數(shù)的實(shí)際值存放在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間里。當(dāng)需要某個(gè)參數(shù)值時(shí)，只需查找相對(duì)應(yīng)的地址就可以讀到所需參數(shù)值。通過對(duì)ATT7022E進(jìn)行軟、硬件校表，可以獲得很高的測(cè)量精度。由于ATT7022E承擔(dān)了復(fù)雜的有功無功檢測(cè)運(yùn)算[7]，因此高性價(jià)比的單片機(jī)足以勝任主控芯片的一系列任務(wù)。本設(shè)計(jì)的控制器采用單片機(jī)GD32F103RCT6作為主控芯片。GD32F103RCT6是一種高速高效率的ARM單片機(jī)，工作主頻108 MHz，內(nèi)部集成了SPI和USART等標(biāo)準(zhǔn)通訊模塊。本設(shè)計(jì)中投切控制模塊具有過零檢測(cè)和晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)雙重功能。從單片機(jī)輸至投切控制模塊的控制量?jī)H為開關(guān)量，這顯然簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 無功補(bǔ)償控制器原理示意

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集模塊的核心為高精度三相有功無功電能專用計(jì)量芯片ATT7022E。電壓和電流的采樣均采用互感器測(cè)量方式，該方式保證了控制器和電網(wǎng)的電氣隔離。互感器二次側(cè)電壓、電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后送入ATT7022E的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATT7022E在1 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)有功測(cè)量滿足1級(jí)、無功測(cè)量滿足2級(jí)，電流和電壓的有效值測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。此外，ATT7022E可準(zhǔn)確測(cè)量到含21次諧波的有功、無功和視在功率，可見該芯片在電網(wǎng)狀況較差時(shí)仍可正常工作。通過SPI通信模塊，ATT7022E將各測(cè)量值送入主控芯片，這樣既能提高測(cè)量精度又能降低主控芯片的成本。ATT7022E與信號(hào)調(diào)理電路的連接如圖3所示。

圖3 ATT7022E與信號(hào)調(diào)理電路連接示意

2.2 投切控制模塊

本文設(shè)計(jì)的投切控制模塊原理如圖4所示，由電壓過零檢測(cè)、信號(hào)隔離、觸發(fā)時(shí)刻確定、調(diào)制脈沖產(chǎn)生、脈沖隔離放大等5個(gè)單元構(gòu)成。對(duì)無功補(bǔ)償裝置中TSC支路最重要的一項(xiàng)要求是電流無沖擊投切，因此投切控制非常關(guān)鍵。目前普遍采用的投切控制方式為晶閘管兩端電壓過零時(shí)刻觸發(fā)晶閘管。在TSC支路中，US為系統(tǒng)電壓，U1為晶閘管兩端電壓。電壓過零檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)U1并以此作為電容器支路投入的判據(jù)之一。當(dāng)主控芯片發(fā)出“投入”信號(hào)時(shí)，觸發(fā)時(shí)刻確定單元會(huì)在U1過零時(shí)刻傳遞信號(hào)至調(diào)制脈沖產(chǎn)生單元。調(diào)制脈沖產(chǎn)生單元會(huì)產(chǎn)生特定頻率和脈寬的一系列脈沖（調(diào)制脈沖），該調(diào)制脈沖經(jīng)過脈沖隔離放大單元隔離放大后觸發(fā)晶閘管，使其導(dǎo)通從而投入電容器支路。該投切控制模塊采用高性能的模擬電路，一方面提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，另一方面增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

圖4 投切控制模塊原理示意

2.3 故障檢測(cè)模塊

故障檢測(cè)模塊時(shí)刻采集各TSC支路的運(yùn)行信號(hào)，一旦發(fā)生異常立即傳送相應(yīng)故障代碼至主控芯片。TSC支路的運(yùn)行信號(hào)由支路的電流信號(hào)和晶閘管組的溫度信號(hào)組成。故障檢測(cè)模塊分別通過互感器和熱敏電阻取支路的電流信號(hào)和晶閘管組的溫度信號(hào)。該模塊設(shè)定超閾值報(bào)警機(jī)制，電流超上限表明支路過電流，電流超下限表明支路斷路，溫度超上限表明晶閘管組過熱。控制器依據(jù)故障檢測(cè)模塊傳來的故障代碼做出相應(yīng)動(dòng)作（強(qiáng)行切除故障TSC組）并發(fā)出警報(bào)。

2.4 人機(jī)接口模塊與通信模塊

人機(jī)接口模塊包括鍵盤輸入和顯示兩個(gè)部分。鍵盤用于各參數(shù)值的設(shè)定和各電容器組的容量值輸入。OLED屏動(dòng)態(tài)分屏顯示電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況、控制器運(yùn)行狀況以及各TSC組故障狀況等信息。其中，電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況信息包括電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率和無功功率等。

GD32F103RCT6內(nèi)置增強(qiáng)型通用異步收發(fā)器（USART），USART與外置SPE3485芯片組成通信模塊。該模塊通過RS-485總線可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，其傳輸距離可達(dá)1 200 m，最高傳輸速率達(dá)56 bit/s。

3 控制器的軟件設(shè)計(jì)

由于電網(wǎng)各參數(shù)可從ATT7022E中直接讀出，A/D轉(zhuǎn)換及有功無功運(yùn)算等環(huán)節(jié)無需主控CPU參與，這在降低主控CPU成本的同時(shí)也簡(jiǎn)化了整體的軟件設(shè)計(jì)。因此，探求一種效果最佳的電容器投切控制策略成為本文軟件設(shè)計(jì)的核心問題。本設(shè)計(jì)采用的投切控制策略由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，首先依據(jù)井場(chǎng)電網(wǎng)狀況決策電容器的投切，其次是依據(jù)電容器分組方式和運(yùn)行歷史保證投切的最優(yōu)化。第一個(gè)環(huán)節(jié)基于模糊控制理論，輸入量為電網(wǎng)電壓和功率因數(shù)，它解決電容器是否投切的問題[8]；第二個(gè)環(huán)節(jié)采用循環(huán)查表方法，輸出量為某電容器組的投切信號(hào)，它解決投切哪組電容器效果最佳的問題。

3.1 模糊控制子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中模糊控制規(guī)律是系統(tǒng)電壓值、功率因數(shù)的二維函數(shù)，這樣可以在保證功率因數(shù)達(dá)標(biāo)的同時(shí)兼顧電壓。取自ATT7022E的電壓v0、功率因數(shù)cosΦ0都是確切的數(shù)值，因此需要將其轉(zhuǎn)化為模糊集。模糊控制的輸出變量C表示電容器的投切狀態(tài)，C的取值為0、1和-1三種，分別表示不動(dòng)作、投入一組和切除一組電容器。在論域V上定義模糊集：V偏低、V正常、V偏高；同樣在論域cosΦ上定義模糊集：cosΦ偏低、cosΦ正常、cosΦ偏高。模糊控制規(guī)則庫(kù)由運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來的模糊控制規(guī)則累積而成。電壓和功率因數(shù)的隸屬度函數(shù)均采用升梯形、降梯形和梯形。模糊控制子程序流程如圖5所示。

圖5 模糊控制子程序流程

其中輸入量v、cosΦ的論域和模糊集的定義需要參照用戶所設(shè)定電壓、功率因數(shù)的上下限。電容器投切控制量C控制電容器投切狀態(tài)，本設(shè)計(jì)中采用逐級(jí)投切的方法，即每次只投入一組或切除一組電容器。

3.2 循環(huán)查表投切管理子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用數(shù)據(jù)庫(kù)思想，編制了包含所有電容器組信息的狀態(tài)表。通過“查詢→更改→查詢”模式控制器高效管理全部電容器組的投切過程。在控制器上電運(yùn)行之初用戶需要將主電路中各組電容器容量值（kVAR）通過人機(jī)界面輸入，這樣電容器組狀態(tài)表就建立起來，初始狀態(tài)如表1所示。

表1 電容器組初始狀態(tài)

循環(huán)查表投切管理子程序流程如圖6所示。控制量C的值由模糊控制子程序得出。狀態(tài)標(biāo)識(shí)M由狀態(tài)表中各運(yùn)行狀態(tài)項(xiàng)求和得到，M=n說明已投入全部電容器組，此時(shí)應(yīng)禁止投入動(dòng)作；M=0說明已切除全部電容器組，此時(shí)應(yīng)禁止切除動(dòng)作。為了防止欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，本程序設(shè)計(jì)中引入無功功率作為投切管理的判據(jù)之一。

圖6 循環(huán)查表投切管理子程序流程

某組電容器投入或切除的適合度An或Bn由加權(quán)算式得出，即：

式中：QL、QC分別為需要補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)臒o功量，QCn是某電容器組的容量，Ns是全部電容器組的歷史投切次數(shù)之和，Nn是某電容器組的歷史投切次數(shù)，α、β分別是容量項(xiàng)、次數(shù)項(xiàng)的權(quán)，α+β=1。將式（2）、式（3）得出的值A(chǔ)n、Bn排序，最小值對(duì)應(yīng)的電容器組即為最佳投入選擇或最佳切除選擇。

4 模擬試驗(yàn)

無功補(bǔ)償試驗(yàn)在控制器樣機(jī)開發(fā)完成后借助電動(dòng)鉆機(jī)模擬平臺(tái)[9]進(jìn)行。主電路中并聯(lián)電容器采取等容量分組方式，每組50 kVAR，共5組。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖7（a）、（b）分別為TSC投運(yùn)前、后電能質(zhì)量分析儀記錄的各電網(wǎng)參數(shù)。

圖7 TSC投運(yùn)前、后電網(wǎng)各參數(shù)對(duì)比

分析儀記錄圖形顯示，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為0.69，當(dāng)投入TSC后功率因數(shù)提高到0.99。在有功消耗不變的情況下，補(bǔ)償前的系統(tǒng)視在功率為244 kVA，補(bǔ)償后的系統(tǒng)視在功率為172 kVA，減少系統(tǒng)容量72 kVA，同時(shí)明顯改善電流波形。補(bǔ)償過程中沒有出現(xiàn)過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償以及投切振蕩等問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的井場(chǎng)電網(wǎng)無功補(bǔ)償控制器具有適用性強(qiáng)、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性高等特點(diǎn)。采用ATT7022E專用計(jì)量芯片測(cè)量井場(chǎng)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，在保證了測(cè)量精度的同時(shí)降低了系統(tǒng)對(duì)CPU的要求。在投切控制策略上，首先依據(jù)模糊控制進(jìn)行投切決策，避免出現(xiàn)過補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和投切振蕩；然后采用循環(huán)查表法優(yōu)化投切過程，使得并聯(lián)電容器的分組方式任意并且投運(yùn)機(jī)會(huì)均等。該控制器適用于電動(dòng)鉆機(jī)井場(chǎng)電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償，對(duì)改善井場(chǎng)電網(wǎng)功率因數(shù)、降低網(wǎng)損具有良好的效果，對(duì)于促進(jìn)降本增效具有積極意義。