動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

摘要：為了降低燃油成本，更好地踐行節(jié)能減排政策，進(jìn)一步提高50D鉆機(jī)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，提出了對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的研究?，F(xiàn)分析了50D電力系統(tǒng)中SCR和VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諧波產(chǎn)生和功率因數(shù)低下的原因及危害，結(jié)合50D電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，采用定性分析的方法，優(yōu)選出了適合該電力系統(tǒng)的TSC+TCR無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制方案。從實(shí)際使用情況來(lái)看，基本達(dá)到了補(bǔ)償效果，諧波也得到了抑制，極大地降低了燃油成本。

關(guān)鍵詞：燃油成本;無(wú)功補(bǔ)償;諧波抑制

0? ? 引言

在鉆井施工中，電力系統(tǒng)中的各種諧波污染多數(shù)來(lái)自于變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)，這也是給柴油發(fā)電機(jī)組成的小電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重諧波污染的起因;而且SCR直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)比較低，造成小電網(wǎng)系統(tǒng)供電效率低下，燃油消耗過(guò)大，這些都會(huì)增加我隊(duì)的生產(chǎn)成本。為了順應(yīng)石油市場(chǎng)的發(fā)展，降低成本，節(jié)能減排，減少消耗，改善50D電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量勢(shì)在必行。

在我國(guó)，抑制諧波的方法如下：首先，傳統(tǒng)的LC濾波器僅吸收固定頻率的諧波，而且該類濾波器容易產(chǎn)生共振，因此現(xiàn)在很少使用;第二個(gè)是現(xiàn)在常用的有源濾波器，但其仍處于工業(yè)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)和研究階段，尤其是交互式能量和集成諧波HAPF的開(kāi)發(fā)，其很難設(shè)計(jì)且比較昂貴;第三是混合過(guò)濾裝置，實(shí)踐證明，混合過(guò)濾的被動(dòng)過(guò)濾和主動(dòng)過(guò)濾相結(jié)合可以達(dá)到良好的過(guò)濾效果[1]。針對(duì)本公司50D電力系統(tǒng)，如何從諸多無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中選擇出適合這一特定系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制裝置是本文分析的主要目的。

1? ? 50D鉆機(jī)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

50D動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電部分使用3臺(tái)MTU柴油發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生600 V和50 Hz的交流電。取決于現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載條件，3套發(fā)電機(jī)可以以任意組合形式長(zhǎng)期并聯(lián)使用。本文中的SCR電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，共有6臺(tái)單臺(tái)功率為800 kW的直流電動(dòng)機(jī)，VFD電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有2臺(tái)單臺(tái)功率為400 kW的交流電動(dòng)機(jī)。由于晶閘管的相移控制，輸出波形是部分截止的正弦波形，其中包含大量諧波分量。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)設(shè)備從空載頻繁變?yōu)閹缀鯘M載時(shí)，無(wú)功功率的影響還將導(dǎo)致電源系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.8迅速下降到0.3，這將導(dǎo)致電壓急劇波動(dòng)，從而大大降低電源質(zhì)量。因此，有必要對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制。

2? ? 50D鉆機(jī)電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制方案

2.1? ? 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)介

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及其在能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，一種靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器（簡(jiǎn)稱SVC）應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)已廣泛用于交互式能源補(bǔ)償中。SVC是全面管理電壓波動(dòng)、諧波和電壓不平衡的重要設(shè)備，另一個(gè)是APF。APF是一種新型電力電子設(shè)備，可動(dòng)態(tài)抑制諧波，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC技術(shù)又分為自飽和電抗器型（Self-Saturation Reactor，簡(jiǎn)稱SSR）、晶閘管控制電抗器型（Thyristor Controlled Reactor，簡(jiǎn)稱TCR）、晶閘管投切電容器型（Thyristor Switched Capacitor，簡(jiǎn)稱TSC）[2]、高阻抗變壓器型（Thyristor Controlled Transformer，簡(jiǎn)稱TCT）和勵(lì)磁控制的電抗器型（AR）。靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）的典型代表有晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）[1-2]。

2.2? ? SCR系統(tǒng)的無(wú)功分析

SCR系統(tǒng)整流器使用具有電阻負(fù)載的三相全控橋式整流器電路。當(dāng)忽略電流稀釋和紋波過(guò)程時(shí)，原理如圖1所示。

將交流橫向電抗器設(shè)置為零，并將直流L電感器設(shè)置為足夠大。以α=30°為例，此時(shí)，電流是一個(gè)正負(fù)半周期為120°的方波，有效值與直流之間的關(guān)系I=。

在SCR電動(dòng)操作系統(tǒng)中，絞盤(pán)在啟動(dòng)和下降時(shí)（30°<α<90°）經(jīng)常從空載變?yōu)閹缀鯘M載。當(dāng)鉆具滿負(fù)荷加載時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)低至0.3～0.4;當(dāng)絞車閑置時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)為0.7～0.8，這是典型的無(wú)功功率負(fù)荷。從以上分析可以知道，SCR電力系統(tǒng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)能量補(bǔ)償，以減少系統(tǒng)的交互式功率波動(dòng)[3]。

2.3? ? 靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的選擇

晶閘管控制電抗器（TCR）的重要特征在于，它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功電能，其響應(yīng)速度快，可以重復(fù)操作，適用于諧波較為嚴(yán)重的場(chǎng)合。晶閘管投切電容器（TSC）是通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)使容量不等的電力電容器投入到電力系統(tǒng)中，其補(bǔ)償數(shù)值逐漸變化，控制方法簡(jiǎn)單，但補(bǔ)償不能連續(xù)控制，諧波控制效果不好，工作可靠性低，一般與晶閘管控制電抗器（TCR）配合使用。

通過(guò)電能質(zhì)量分析儀測(cè)得50D電力系統(tǒng)在未使用無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)正常生產(chǎn)條件下某一工況的電能質(zhì)量情況，如表1所示。

考慮到該電力系統(tǒng)中的負(fù)載主要是電動(dòng)機(jī)，因此它基本上是感性負(fù)載，并且具有大容量，需要補(bǔ)償?shù)娜萘恳草^大。

綜合以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）電力系統(tǒng)存在大量諧波，諧波主要分布在3次、5次、6次、11次、13次，電流諧波的幅值最大為117.6 A，電壓諧波總畸變率為6.8%左右。

（2）電力系統(tǒng)中主要以感性負(fù)荷為主，約占95%，且感性總?cè)萘枯^大。

（3）電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備從空載到滿載頻繁變化所產(chǎn)生的無(wú)功效應(yīng)會(huì)引起劇烈的電壓波動(dòng)和電源質(zhì)量的嚴(yán)重下降，因此使用動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償更為合適。

（4）電力系統(tǒng)中以直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，造成系統(tǒng)功率因數(shù)低于0.5，占用發(fā)電機(jī)組容量較大。突出表現(xiàn)為：即使在僅使用單臺(tái)泥漿泵的情況下，也必須至少使用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)才能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工作需要。

根據(jù)以上結(jié)果，對(duì)多種補(bǔ)償裝置進(jìn)行比較，如表2所示。

綜上所述，為了提高補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制，并提高補(bǔ)償裝置的性價(jià)比，補(bǔ)償電路采用TSC+

TCR的結(jié)構(gòu)，集中對(duì)電力系統(tǒng)的600 V母線進(jìn)行補(bǔ)償，以克服單獨(dú)使用TSC或TCR的缺點(diǎn)。晶閘管控制電容器（TSC）用于在抑制諧波的同時(shí)補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的感應(yīng)無(wú)功功率，并與晶閘管控制電抗器（TCR）配合，不斷調(diào)節(jié)向網(wǎng)絡(luò)提供的無(wú)功功率的數(shù)量，從而改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，保障系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和質(zhì)量。

2.4? ? TSF-0.6/50動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置

某公司TSF-0.6/50動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的性能指標(biāo)如表3所示。

3? ? 使用某公司TSF-0.6/50型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的效果

50D鉆機(jī)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投入使用某公司TSF-0.6/50型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置后，600 V母線電力質(zhì)量和功率因數(shù)有了很大改善。通過(guò)投入無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置前后部分參數(shù)的對(duì)比（表4、表5）可知，此套無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的補(bǔ)償效果良好。

以兩口相鄰生產(chǎn)井施工中，正常三開(kāi)純鉆進(jìn)工況下（現(xiàn)實(shí)情況下一進(jìn)入三開(kāi)就必須使用3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)），地質(zhì)情況和井深接近時(shí)為例，統(tǒng)計(jì)使用無(wú)功補(bǔ)償前后兩口井在滿足最低生產(chǎn)需求時(shí)的燃油消耗對(duì)比情況（以兩口井鉆井日?qǐng)?bào)為準(zhǔn)，特殊情況除外），如表6所示。

由表6可看出，無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置投入使用后，該電力系統(tǒng)的諧波得到了較好的抑制，該系統(tǒng)的功率因數(shù)和電能質(zhì)量也得到了極大的改善，同時(shí)也在很大程度上降低了燃油消耗。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)50D電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)電力系統(tǒng)中SCR和VFD電驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生諧波較大和功率因數(shù)低下的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)測(cè)電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)，定性分析了電力系統(tǒng)存在的問(wèn)題，選擇了TSC+TCR無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制方案，通過(guò)綜合比較，最終優(yōu)選了某公司生產(chǎn)的型號(hào)為TSF-0.6/50的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置。從實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)看，該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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[3] 黨存祿，鄢家財(cái)，宋文超，等.石油鉆機(jī)SCR系統(tǒng)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償[J].電力電子技術(shù)，2010，44（10）：104.

收稿日期：2020-03-16

作者簡(jiǎn)介：王軍超（1982—），男，湖北棗陽(yáng)人，工程師，現(xiàn)任土耳其項(xiàng)目SP011隊(duì)電氣工程師，研究方向：石油鉆機(jī)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)。