新型静止型无功发生器在低压钻井工程中的应用

陈淑春,王文忠,白日欣（.河北软件职业技术学院,河北保定07000；.保定四方三伊电气有限公司,河北保定07000）

新型静止型无功发生器在低压钻井工程中的应用

陈淑春1,王文忠2,白日欣1
（1.河北软件职业技术学院,河北保定070001；2.保定四方三伊电气有限公司,河北保定071000）

本文针对当前低压钻井工程中传统无功补偿存在的投切延时长、冲击性大、有过补/欠补、投入大和成本高等缺点[1]，提出了采用全控型大功率电力电子器件IGBT进行动态无功补偿方案。主要采用桥式结构搭建主电路，控制策略采用模糊PI控制，经MATLAB仿真试验了控制方法的可能性。结合工程实际验证了静止型动态无功发生器SVG(StaticVarGenerator)更快、更高效、更经济的解决了传统无功补偿设备存在的问题，达到了预期效果。

低压；动态无功补偿；桥式结构；模糊PI控制；SVG

1　概述

随着国民经济的发展和现代化技术的进步，加上电力电子技术的普通应用，电力网负荷急剧增大，特别是非线性负荷的不断增加，使得电力网发生了电压波形畸变、电压波动闪变和三相不平衡等不利影响。因此，在用电的各行各业，如：煤矿、电力机车、新能源发电、石油和天然气开采等，对无功补偿的要求与日俱增。

大部分钻井行业是典型运行的低压小电网，大量无功损耗严重影响企业效益和利益。因为电驱动直流钻机在工作中需要进行交、直流变换会产生28%以上的谐波分量，谐波会对供电系统造成严重污染，并对钻井井场用电设备产生干扰，导致一些精密设备无法正常工作，同时“谐波污染”使得钻井系统功率因数常常低于0.5以下的状态运行，大量电流被无功消耗，发电机功率不能得以充分利用，造成“出工不出力”现象，设备投入增加，能耗居高不下。因此，在钻井系统进行无功分析和补偿显得尤为重要。本文采用静止型动态无功发生器SVG在低压钻井系统中补偿调节无功达到了预期效果。

2　SVG介绍

2.1SVG特点

静止型动态无功发生器SVG具有分相调节、模块化补偿特点，可使功率因数提高到0.98以上，反应速度快，补偿时间在5ms以下，效率大大提高;自身不产生谐波，使用寿命可提高到十年；价格成本低，体积小、使用灵活等优点。因此，在电动钻机系统中配套SVG节能装置，对于提高电能的无功功率因数补偿和谐波滤波问题，对于提高电脑质量及设备安全稳定高效运行具有重要意义。

2.2SVG电路结构

考虑工程实际需要，本文设计的SVG主电路拓扑结构采用电压型桥式电路实现。交流侧串联电抗器接入电网，以滤除装置投入时产生的谐波。直流侧接电容作为储能元件，已消除实际电路中存在的谐波。其基本结构如图1：

2.3SVG工作原理

对于电压型桥式电路的SVG来说，工作过程可等效为一个交流侧输出接电网的电压型逆变器，是将自换相的的有源逆变器通过电抗器并联在电网上，适当调节逆变器主电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制交流侧电流，进而可以使该SVG发出或吸收目标无功电流，实现动态无功补偿。

3　钻井系统中无功补偿方案确定

钻井电驱动系统在工作过程中，常出现电压闪变，无功功率变化范围比较大的工况。而且随着钻井开启的数量不同、钻井深度的不同以及延时的硬度不同，无功功率的需求变化也不一样，在钻机起下钻时，频繁的从空载到满载运行时，快速的无功闪变属于典型的冲击性无功功率负荷。

本项目涉及的钻机系统有4台钻井机，外加照明灯附属设备，满载发电时无功需求量为1000KVAR，但是根据现场3个月工作时间统计，绝大部分时间工况不是4台发电机同时发电运行，一般无功需求量在700KVAR的以下，所以在设计过程中，处于节约资源考虑，把700KVAR的无功需求量作为SVG的上限设计，如果无功需求超过700KVAR时，系统自动报警，由人工启动发电机励磁调节器调节无功，这样就有效提高了发电机的利用率，有效降低SVG容量，既节约了资源，又降低了工程成本，同时减小了SVG的体积，是既经济友环保的选择。因此，本项目确定将无功储能思想和协调控制策略应用于综合并联补偿方案。

4　控制方法的实现

控制回路设计过程中采用了空间矢量控制和模糊PI控制相结合的控制策略，主要是对输入电流、电压的转换和控制，从而得到控制开关的触发脉冲，控制SVG桥壁的通断达到动态补偿无功功率、控制谐波的目的。核心部件采用全控型大功率电力电子器件IGBT。控制原理如图：

5　实例分析

本文针对4套钻机电驱动系统需要的4台柴油发电机组作为自控平台主站，根据钻井在满载和空载时的负荷状况，设计了静止型动态无功补偿装置SVG，从SVG投入后无功输出、电压偏差、电压波动、电压谐波含量波形图可以看出，SVG跟踪和响应速度快，系统的电压偏差和波动，系统的三项不平衡，装置的谐波含量都在都在国家标准范围内，装置投入后对钻井工程中独立低压小电网质量和功率因数均有较大提高。

由上图左侧数据可知：在测试的时间内系统最高的相电压为607V.系统最低的相电压为582V。系统相电压的标称电压为600V。

电压偏差=（最高电压-最低电压）/系统标称电压=1.1%。当SVG投入运行后系统的电压偏差符合国家标准。

由上图数据可知：在测试的时间，内光标的位置为两个相邻极值差值最大的。极值分别为601V、589V。系统相电压的标称电压为604V。

电压波动=（两个相邻极值差）/系统标称电压=1.9%。当SVG投入运行后系统的电压波动符合国家标准。

由上图可知：光标确定的地方为谐波电压最大的点总的谐波电压THD为1.57%，谐波的范围在0.64%-1.57%之间。谐波电压很小。

6　总结与展望

在对比现有无功补偿设备的优缺点后，确定了静止型动态无功发生器SVG补偿石油钻机驱动系统的无功失量，将无功储能思想和协调控制策略用于综合并联补偿方案，既降低了设备的成本又提高了原有设备的利用率，得到了满意的控制效果。如果排除成本考虑，在方案的确定上可以按照功率因数范围将SVG和发电机励磁调节器联合统一控制，这样SVG装置整体动态性能好，智能化水平更高。

[1]鄢家财.静止无功发生器（SVG）的研究和应用[D].兰州理工大学,2011.

[2]刘俊杰.静止无功发生器（SVG）的研究与设计[D].天津理工大学,2012.

河北省保定市科技局科技攻关计划项目项目编号13ZG027