石油钻井谐波抑制和无功补偿新方案

孙长征

(中国石化胜利石油工程技术服务有限公司 渤海钻井公司,山东 东营 257200)

石油钻井谐波抑制和无功补偿新方案

孙长征

(中国石化胜利石油工程技术服务有限公司 渤海钻井公司,山东 东营 257200)

针对石油钻井产生的高次谐波电流含量大、功率因数低的现状,提出一种新型的谐波抑制、功率因数校正综合补偿方案。对该混合补偿系统的基本工作原理和控制策略进行详细的分析,并对补偿方案进行数字仿真。仿真结果证明该综合补偿系统能够大幅提高功率因数,并有效地抑制谐波。

无功补偿;谐波抑制;谐波谐振;功率因数

目前,我国的大部分石油钻井的整流装置采用的都是电力电子器件组成的低压大电流整流电源,在运行中会使电网功率因数降低,并产生大量谐波,影响电网及其他电气设备运行。单纯的无源补偿都存在不同程度的谐波谐振现象,而且无源支路的滤波性能因电网等效电感系统参数的波动而变差[1]。笔者针对石油钻井电源功率因数低,电网谐波含量偏高的问题,提出一种综合补偿系统方案。该综合补偿方案由静止无功补偿器SVC和有源滤波器APF组成。SVC中的晶闸管投切电容器TSC和单调谐无源滤波器PF除能够补偿一定数量的无功功率外，还能滤除由整流电源产生的特征谐波。晶闸管控制电抗器TCR用来综合多余的容性无功[2]。此外,在补偿装置中采用谐振阻抗型混合有源滤波电路,用以抑制电网等效电感和无源支路之间的谐振,以及晶闸管控制电抗器产生的谐波电流,改善无源滤波器的性能。

1 补偿系统的基本工作原理

某石油钻井引进了国外的4套装置,如图1所示的混合补偿系统的供电示意图。

图1中混合补偿系统的主电路结构如图2所示,主电路是由谐振阻抗型的混合有源滤波器HAPF和晶闸管控制电抗器TCR组成。其中HAPF的无源滤波器组可以分两个部分,一个是3次单谐波的滤波器和固定连接地二阶高通的滤波器,另一个是晶闸管控制投切的电容器组TSC,由可投切5次、7次单调谐滤波器构成[3]。

图1 装置供电示意图

由图2所示的补偿系统,其中混合有源滤波器HAPF由耦合变压器和电压型逆变器连接,其耦合变压器的副边和基波串联谐振电路并联,然后和固定连接的3次以及二阶高通滤波器的并联回路串联而成,而无功补偿器SVC由晶闸管控制电抗器TCR和可投切的单调谐电容器组TSC以及其基波串联的谐振电路所构成。由于无源滤波器的容性无功功率可能导致公共连接点电压偏高,而由晶闸管所控制的电抗器TCR的投入可以连续地调节无功功率,来平衡公共点的电压,同时HAPF和TSC可一起抑制谐波,因此可同时达到无功补偿和谐波治理的目的[4]。

图2 混合补偿系统结构

2 混合补偿系统控制策略

本文中提出的混合补偿方案,就是采取针对HAPF和SVC的复合控制策略。由图3可以看出谐波电流和功率因数复合控制策略,cosφref为参考功率因数,cosφ为电网反馈功率因数,两者比较后得到偏差e,经过偏差/滞环比较,通过PI调节求取TCR触发角以及模糊控制器计算投入TSC的数量;同时,通过谐波检测得出谐波电流信号,再通过广义积分迭代控制器处理后,得到PWM信号,根据该信号,通过控制HAPF逆变器产生期望的谐波电流输出。

图3 混合补偿系统控制策略

2.1 SVC的控制策略

SVC具有离散、非线性和连续变量共存的特点,设计关于模糊PI控制的功率因数调节器,采用PI控制器处理连续的变量(TCR),而离散变量(TSC)采用模糊控制器来处理,同时采用面向负荷的补偿措施,来提高系统的功率因数。模糊PI控制融合了PI控制和模糊控制技术特性,具有快速响应、高精度以及高鲁棒性的优点。如图4所示,其模糊调节器是双输入单输出的,误差为e,量化因子是ke,误差的变化率为ec,量化因子是kec,输出为n,量化因子是kn。综合考虑,选取误差偏差范围E0=0.1,控制器中比例因子是Fuzzy,ke=0.5,kec=8,kn=16, PI参数kp=0.8,ki=0.005。e、ec及n的模糊集为:{NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}、{NB,NS,ZE,PS,PB}、{NB, NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。 取e、ec与n的论域为:[-1,1],[-0.1,0.1],[-1,1];e、ec和n为隶属函数。

图4 模糊PI控制器结构

根据给定的偏差范围E0,判定采取的控制方式。既为取得更好的瞬态性能采取模糊控制,此时偏差控制在大范围内;而偏差在小范围内采取PI控制,来实现良好的稳态性能。因为在系统运行中,这两种控制方式为分段切换使用,不会相互影响,因此可以对两种控制方式分别进行设计和调试。上述提到的偏差范围E0实际为滞环环宽,其设定尤为关键,设定值偏大,则会导致系统过早进入PI调节,不能发挥模糊控制的快速性的作用,使调节时间延长;设定值偏小,则可能会导致系统在接近稳态时超调,同样会延长调节时间。

通过研究SVC装置的特点,即TCR的容量所产生功率因数的变化来确定出阀值E0=0.1,这样可以实现模糊控制TSC的投切,即无功的“粗调”,由PI控制TCR输出来实现无功的“细调”。所订立的模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则

2.2 HAPF控制策略

综合补偿装置运行时,HAPF与SVC存在一定程度上的耦合。为减小对补偿装置性能的影响,发现,当采用HAPF的“补偿特定次数谐波”控制方法时,能够在很大程度上使两者耦合度减小,这样对装置的性能几乎没有影响。因此,采用广义上的积分算法对特定次数谐波进行分频补偿,来实现SVC和HAPF的解耦[5]。同时,采用分频检测进行相位补偿,用以消除无源滤波器导致的相位偏差,提高HAPF电流跟踪控制精度。HAPF控制框图如图5所示。

图5 HAPF控制框图

(1)

实际上,在HAPF控制中,对有源滤波器来说,电流跟踪误差e(s)的广义积分yC(s)要考虑的只是有限的几次谐波,则可以满足以下频域方程

(2)

其中,N⊆{3,5,7,11,13,17,19,23},实际为HAPF需要滤除的谐波次数的集合。

因此,与常规PI控制类似,得到HAPF基于广义上积分算法的等效控制为

(3)

式中,比例系数为KP,对m次谐波地积分系数为KIm。

本文充分利用之前控制量,提出新型广义积分迭代控制算法,很大程度上缩小了计算量,从而得出等效控制的离散控制率。对m次谐波广义积分的控制量为

(4)

整理得

s2uIm(s)+(mωs)2uIm(s)=2KImse(s) .

(5)

其时域方程为

(6)

式(6)的差分方程形式为

[uIm(k)-uIm(k-1)]-[uIm(k-1)-uIm(k-2)]+

(mωs)2uIm(k)=2KIm[e(k)-e(k-1)].

(7)

整理得

(8)

可见,只要保留上两个控制周期广义积分的控制量uIm(k-1)和uIm(k-2)以及上一个控制周期的电流误差e(k-1),可以很方便地获得新的广义积分控制量uIm(k)。

其离散等效控制率为

(9)

3 仿真结果和分析

为验证本文中对混合补偿系统结构及其控制策略是否正确,对该系统进行仿真和研究。系统如图2所示,采用PSIM仿真软件,仿真的实验均以A相为例。仿真系统的基本参数为三相电源线电压为10 kV,频率为50 Hz;负载为高频开关整流电源装置,TCR提供最大感性无功600 kvar,5、7次TSC最大容性无功500 kvar。图6为仿真实验结果,(a)为投入混合系统前10 kV侧的电流波形及其频谱,(b)为混合系统投入后10 kV侧的电流波形及其频谱,表2、表3分别为补偿前后电流幅值和功率因数对比。

图6 仿真实验结果

表2 补偿前后谐波电流幅值

系统状态补偿前/A补偿后/A基波82.690.505次16.30.857次12.10.7111次7.50.4013次6.61.9017次4.91.1019次4.31.30

表3 补偿前后总畸变率和功率因数

从图6、表2和表3可以看出,投入混合补偿系统前,谐波含量较高,总畸变率THD达到31%,功率因数只有0.7,明显偏低,而投入混合补偿系统后,谐波含量明显降低,总畸变率THD降到3.9%,功率因数升高到0.95,电流波形基本上为正弦波形。

4 结束语

本文中提出的石油钻井谐波抑制和无功补偿新方案具有提升功率因数、消除谐波电流以及抑制谐波谐振的功能,能满足整流电源无功补偿和谐波治理的要求。同时仿真结果表明,该方案具有很好的补偿性能,是石油钻井行业很有应用前景的电力系统综合补偿及滤波装置。

[1] 赵曙光,赵明英,王军宁. 混合滤波系统中无源滤波器的均匀设计多目标优化方法[J].电力自动化设备,2005,25(1):7-11.

[2] 王少杰,罗安,汤赐. 新型注入式混合有源滤波器中无源滤波器的优化设计[J].中国电机工程学报,2008,28(33):37- 43.

[3] HUANG Z Y, XU W S, DINAVAHI V R. A practical harmonic resonance guideline for shunt capacitor applications[J]. IEEE Trans. On Power Delivery, 2003,18(4):1382-1387.

[4] DIRK D, JOEP J, RIK W, et al. A new hybrid filter to dampen resonances and compensate harmonic currents in industrial power systems with power factor correction equipment[J]. IEEE Trans. On power electronics, 2001,16(6):821- 827.

[5] 涂春鸣,帅智康,李慧. 谐振阻抗型混合有源滤波器原理及其补偿特性[J].中国电机工程学报,2008,28(25):146-152.

[责任编辑] 袁瑞琴

2015-06-23

孙长征(1973—)，男，山东日照人，中国石化胜利石油工程技术服务有限公司渤海钻井公司高级工程师，主要从事石油设备管理研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.03.007

TE922

A

1673-5935(2015)03- 0022- 04