石油钻机动态无功补偿与谐波抑制.pdf

_ T e s ti n g R e s e a r c h 石油钻 机动态无功补偿 与谐波抑 制 李琳 高帅 陕西西安石油大学钻机控制技术重点实验室 摘要针 对钻 机 井 场 电 网的非 线 性 负载 谐 波使 供 电质 量 下 降 的 问题 ，提 出 了对 钻 机 变 频驱 动 系统 进 行 谐 波抑 制 和 无 功 补 偿 。分 析 系统 谐 波 和 无 功 产 生 的 原 因 ，提 出 A P F S V C的 系统 方 案。研 究过程 中开发 了混合谐波抑制和无功补偿单元 ，并在电驱动钻机控制 系统 实验平 台模 拟 了该单 元 的运 行 情 况 。 实验 表 明 此 改 方法 可有 效 抑 制 交流 变频 系统产 生 的谐波 和 补偿 系统 中 的 无功 功率 ，具 有 实 际应 用价 值 。 关键 词变频驱 动 谐 波抑 制 无功 补偿 D 0l 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n． 2 0 9 5 - 1 4 9 3． 2 0 1 2． 0 5． 0 0 2 钻 机 系统 中 ，绞车 、转 盘 、顶 驱 、泥浆 泵 等井 场 主 要负 载 设备 由电动 机 进行 驱 动 ，进 行各 种钻 井 工 况作 业 。钻机 频 繁地 从 空载 到 满载 变 化 ，属 于典 型的 冲击 性 负荷 ，这些 冲击性 负 荷会 使 电压 产 生剧 烈 波 动 ，供 电质 量 下 降 。因而 ，有必 要 改善 钻 机 电 驱 动 系统 的 电能质 量⋯ 。 1 V F D电驱 动 系统 组成 即工作 原 理 电驱动钻机 由柴油发 电机组部分 、A C V F D A C 传动 部 分 、动 力变 压 器 与辅 助设 备 配 电系 统 、照 明 配 电部 分等 环节 构 成 。对 于 V F D传动 系统 ，柴油 发 电机 组发 出 6 0 0 V交流 电先 经过 晶闸管 整 流成 7 5 0 V 直 流 电 ，经 电容 滤 波 ，再 经 I G B T完 成 逆 变 过 程 。 得 到 AC 6 0 0 V、频 率 5 ～ 6 0 H z 可 调 的 交 流 电 ，最 后 驱 动 钻 井 泵 、绞 车／ 转 盘 和 顶 驱 的 变 频交流 电动机 ， 实现满足钻井工艺要 求 的调速 控制 。 2 V F D电驱 动系统谐波抑制 2 ． 1 V F D电驱动 系统 谐 波分 析 变 频 器 由整 流器 、滤波 电路 、逆 变器 构 成 。井 场 电网 中最大 的谐波源是 晶闸管整 流装置和逆变 器 。另外 ，绞 车 、转 盘 、钻井 泵 等 大多 钻 井井 场非 线 性 负载 也是 谐 波 的主要 来源 。 第一作 者简介李琳 ，I 9 9 3 年毕业 于西安交通大学 ，电磁测量技 术 专业 ，教授 ，硕士学位 ，现从事 电动钻机 电气控制系统 的教学及 研 究工作 ，E ma i l k j c l i l i n x s y u ． e d u ．c n ，地址 陕西省西安市 电子二 路东段 1 8 号西安石油大学 ，7 1 0 0 6 5 。 来 源于陕西省科 技攻关项 目电动钻机 动力系统动 态补偿技术 的 开发 ，项 目编号 2 0 1 0 K 0 1 1 0 7 。 4 l v v ．s y s h j n ．c 。 n 1 2 ． 2 V F D系统谐 波 治理 治理 谐波 的方法 有很 多 ，而 A P F 是 目前 能 够全 面动 态 抑制 谐 波 的新 型 电力 电子装 置 。AP F 按 照与 被 补 偿 对 象 的 连 接 方 式 可 分 为 串 联 A P F和 并 联 A P F 。前 者 主 要 适 用 于 补 偿 网侧 产 生 的谐 波 电 压 ， 后 者 主 要适 用 于 补 偿 非 线性 负 载 产 生 的谐 波 电流 。 根 据 井 场 负 载 大 多 呈 非 线 性 的 特 点 ， 选 择 并 联 A P F ，开 发 了谐波 治理 单元 。 A P F的配 置 ，通 常按 整个 V F D系统 工 作 时产 生 的最大 总 谐波 量来 设 计 。而 此配 置方 式 将 使 A P F的 容 量 即输 出 电流 较 大 。 对 于 如 此 大 的 谐 波 补 偿 电 流 ，用 A P F的一 个基 本单 元 和 多个 扩 展单 元并 联 输 } f { ，则 体 积相 对 较大 。针对 交 流变 频 驱动 系统 产 生 的 大 量 谐 波 ，对 变 频 装 置 可 采 取 以下 谐 波 抑 制 方 法 对 每 一 台 V F D传 动 系统 配套 一 台 A P F系统 。这 将 使 A P F的体积 相 对缩 小 ，输 出电流 大 大减 小 ，而 且 A P F的安 装 和接 线等 比较 好 实施 ，能 取得 较好 的 谐波抑制效果。图 1 为A P F 系统与 V F D系统连接框图 。 图 1 A P F 系统与 V F D 系统连接框图 钻井泵 绞 车 转盘 辅助设鲁 照明 3 V F D系统 的无功 补偿 3 ． 1 V F D系统 的无功 分 析 钻机 V F D驱动 系统 中的感 性用 电设 备 在投入 运 行 时 ，除 了消耗 大量 的有 功 功率 P之外 ，还要 从供 电系统 中吸 收 大量 的 无 功功 率 Q，系统 的功 率 因数 Q ，当负载吸收的有 功功率 为定值 时 ，其无功功 率越 大 ，功 率 因数 越低 ，视在 功 率就 越 大 ，从 而增 大 了流 过供 电系统 的 电流 。在 传 输 同样 有功 功 率情 况 下 ，总 电 流 的 增 大 ，使 线 路 及 变 压 器 电压 降 增 大 ，影 响 了钻 机井 场 电 网的 电压 质量 ，不利 于 电力 的输 送与 合理 应用 。 。 在 钻 机 V F D电 驱 动 系统 中 ，钻 机 设 备 起 下 钻 时 ，绞 车满 载 ，系 统功 率 因数低 至 0 ． 3 5 ～ 0 ． 4 5 。绞车 空载 ，系统 的功 率 因数恢 复 至 0 ． 6 5 ～ 0 ． 7 5 ，属于 典型 的 冲击性 无 功 功率 负荷 。综上 分 析可 知 ，电驱 动钻 机变 频驱 动 系统 需 要进 行 动态 无 功补 偿 ，以保证 井 场 电网 电压稳 定 和供 电质 量 。 3 ． 2 V F D 系统 的无功 补 偿方 案选 择 由于 电动钻 机 变频 驱 动 系统无 功 功 率变 化速 度 快 ，变 化 范 围 广 ，需 要 及 时 进 行 无 功 补 偿 。 采 用 T C R F C 型 的 S V C实现 系统 无功 连续 调节 。 3 ． 3无 功补 偿 系统 的设计 T C R F C型的 S V C的 主电路 结构 如 图 2 所示 ， 图 2 T C R F C型 的 S V C的 主 电 路 结 构 T C R是 由两 个 反并 联 的 晶 闸管 与一 个 电抗 器 相 串联 。通过 控 制 晶 闸管触 发 脉 冲的 时间 ，就 可 以控 制两 个 晶 闸管 的导 通 时 间 ，进 而 控制 正 负半 周 的 电 流通 断 。 由 于 电抗 器 几 乎是 纯感 性 负荷 ，流过 它 的 电流 为纯 无 功 电流 ，因此 电感 中的 电流一 般 滞后 于 电感 两 端 电压 约 9 0 。 。 当 a 9 0 。 时 ， 晶 闸管 完 全 导 通 ，电抗 器 完全 投 入运 行 ，电流 为连 续 的 ，此 时 电 抗 器 吸 收 的 感 性 无 功 最 大 额 定 功 率 ； 当 1 8 0 。 强硼穷一 时 ，晶 闸管 不导 通 ，电抗 器不投 入 运行 ，吸收 的感 性 无 功 最 小 。 。 当在 9 0 。一 1 8 0 。之 间调 节 时 ，流 过 T C R支 路 的 电流 为断 续 的 。通过 控制 品闸管 的触 发 角 ，可 以连 续调 节 流 过 电抗 器 的电 流 ，在 0 晶闸 管 阻断 到最大 值 晶闸 管全 导通 之 间变 化 由于 端 电压 不变 ，改 变 T C R支 路 的 电流 即相 当于改 变 了 电抗 器 的等效 电抗 值 。 4 试验及 结果分析 表 1 为 S V C装 置 和 A P F投 运 前 后 的实 录数 据 ， 可见 混合 装 置投 入 后 ，钻机 井场 电能质 量得 到 了很 大 的改善 。 表 1 S V O 装置和A P F 投运前后 的实录数据 5 结论 本 文设 计 的 A P F S V C型 混 合无 功补 偿 和谐 波 抑 制装 置 ，既抑制 钻 机井 场 电 网的谐 波 ，又动 态补 偿 电 网无 功功 率 ，提 高 了 电网 的功率 因数 ，改善 了 井 场 电能 质量 。通 过装 置 使用 前后 的对 比 ，显 示 了 该方 法 的合理 性 ，具 有 良好 的T程应 用价 值 。 参 考 文献 [ 1 ]张奇 志， 李琳 ． 电动钻机 自动化技术 [ M ] ． 北 京 石油工业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． 2 4 - 3 7 [ 2 ]罗 安． 电网谐 波治理 和无 功补偿技 术 即装 备 [ M ] ． 北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 ． 1 O 1 1 1 2 ． [ 3 ]姜 宁， 王春 宁， 董 其 国． 无 功电压 与优化 [ M ]北京 中国 电 力 出版 社 ， 2 0 0 6 4 5 - 5 3 ． [ 4 ]车继 勇， 马爱彬 ， 张斌， 等． 钻机井 场 电器 系统谐 波分析 及其抑制 [ J ]甘肃科技， 2 0 0 8 ． 2 4 6 6 9 7 1 ． [ 5 ] A b d eI m a d j i d C h a o ui ， F a t c h K r i m ． J e a n P a uI G a u b e r t． et aI ． D PC Co nt r ol l ed Thr e e- Ph as e A o ti v e Fi l t e r f o r P o w e r Q u a I i t y l m p r o v e m e n t [ J ] ， l n t e r n a ti onaI d our naI o f EI e ct ri caI Po we r a nd E n er gy S y s t e m s ，2 0 0 8 ． 3 0 8 4 7 6 4 8 5 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 7 1 口 I 己 年第5 期石油石化节能 l 5