抽油机变频群控系统谐波监测与控制

侯宗文（大庆油田有限责任公司技术监督中心）

游梁式抽油机作为油田生产的重点能耗设备，是目前各油田普遍采用的抽油机，但普遍存在着高能耗、低产出、冲程和冲速调节不方便等明显的缺点[1]。随着变频节能控制技术的发展，变频调速节能控制技术因其节能、安全、易控制、操作方便等优点，在油田生产领域得到广泛应用，逐渐成为抽油机电力拖动系统的主要控制技术之一[2]。近几年来，一种基于直流供电配置的抽油机变频群控系统投入油田生产现场应用，它的应用解决了抽油机单井应用变频控制设备所带来的投资大、油井变频控制柜成本价格高、自身耗电大（一般油井变频控制柜能耗占油井能耗的3%～5%，个别高的油井变频控制柜自身能耗占油井总能耗比例甚至达到15%）、油井存在倒发电造成能源浪费等问题[3]，在油田生产现场应用已取得良好节能效果。

1 抽油机变频群控系统

图1为基于直流供电配置的抽油机变频群控系统组成框图。该系统主要有公共直流母线控制系统和多个变频终端等部分组成。公共直流母线控制系统包括：电力变压器、进线开关、逆变器等。基于公共直流母线构成的变频调速系统通常由公共直流母线、变频终端单元等组成。

图1 基于直流供电配置的抽油机变频群控系统组成框图

抽油机变频群控系统采用公共直流母线下挂多个变频终端的拓扑结构。变频器终端采用一种适合于直流母线供电特点的特种开关电源构成方案，变频主电路采用全控型电力电子器件IGBT等快速模块及高频PWM控制方式。该系统若谐波抑制控制措施采取不当，未设计安装谐波抑制电路，就会造成油井谐波信号严重超标，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，增大设备噪音量，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”[4-5]。

2 谐波的危害

相关研究结果表明，谐波污染会造成供电电压的畸变，对供用电设备造成的危害[5-6]主要体现在以下几个方面：

1）对电动机的影响，由于电网谐波的存在，会使电动机转矩产生脉动，导致电动机运行不稳定产生振动，温度升高和损耗增加。

2）对无功补偿电容器的影响，当谐波频率与系统中的谐振频率耦合时，会造成电容器过电压或过电流，使电容器绝缘老化，影响使用寿命，甚至直接烧坏电容器。含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

3）对变压器的影响，谐波电流流经变压器绕组会增大损耗，使绕组发热，加速绝缘老化，并产生噪声。谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。

4）对电量计量的影响。现场应用实践表明，智能式电能表不能用于计量谐波含量较高的用电设备。因为它计量的电量往往偏低，计量误差较大。

5）增加设备噪音。现场应用实践表明，供电设备因电网谐波污染，就会产生噪音信号，其噪音是无污染前的几倍，甚至几十倍。

6）降低供电电能质量。由于电网谐波的存在，电网的供电质量明显下降，甚至达不到供电电网的正常质量要求。

7）降低电网安全运行的可靠性。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，从而使上述的危害大大增加，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。同时，由于电网谐波的存在，增加了供电电网“电压暂降”发生的可能性，有可能引起电网跳闸断电事故，降低了电网安全运行的可靠性。

8）增加干扰信号。当电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的数据采集线路中产生干扰电压，干扰数据传输系统的工作，导致数据采集信息质量降低，甚至数据信息丢失等问题。

3 系统谐波监测

3.1 监测主要设备

依据Q/SH 1020—2013《机械采油井低压供电系统谐波测试与评定规范》和GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》，利用HIOKI 3169—20型电参数测试仪、HIOKI 3286—20型电力谐波测试分析仪或Fluke345福禄克谐波测试仪等测试仪器对抽油机变频群控系统供电系统输入端、以及变压器输出端进行谐波信号检测，或者利用HIOKI 3390型功率分析仪对抽油机变频群控系统供电系统输出端、油井电动机输入端进行谐波信号检测，根据现场谐波信号检测数据，对不符合电网质量要求的主要谐波信号产生源进行优化治理，从而达到消除电网谐波污染，降低供电系统能源损耗，提高电网电能质量的目的。

3.2 监测情况

2017年10月对某油田某采油管理区604-1、604-26和604-3三个抽油机变频群控系统供电系统进行谐波专项监测，其中604-1抽油机变频群控系统供电系统负责10口油井的供电，604-2抽油机变频群控系统供电系统负责8口油井的供电，604-3抽油机变频群控系统供电系统负责8口油井的供电。从抽油机变频群控系统供电系统输入端、以及变压器输出端进行谐波信号检测，监测结果均没有达到标准所要求，需要采取谐波控制措施加以解决。

4 控制措施

通过对抽油机变频群控系统供电系统谐波测试，抽油机变频群控系统供电系统的谐波产生源主要来自变频群控系统，要消除谐波信号的产生，降低供电系统能源损耗，必须在变频群控系统设备上做好谐波信号的优化治理工作。采取的措施主要有：

1）优化滤波单元。滤波部分采用电感电容滤波，以减少其网侧的电流谐波。整流滤波单元的整流部分采用三相二极管不可控整流，以提高其网侧功率因数。

2）加装直流电抗器。为了抑制变频器的发射干扰和感应干扰，抑制电动机的电压波动效应，在变频器的输入、输出电路中串接电抗器，对抑制5～19次谐波效果显著，选用时使电抗器上的电压降约在额定电压的3%为最佳。

3）提高变频器的载波频率。通过适当提高变频器的载波频率，减少变频器谐波信号的产生。目前在用的各种变频器，一般出厂值载波频率均较低，其目的是为了减少IGBT的功耗。

4）加强谐波监测。通过定期组织对抽油机变频群控系统供电系统的谐波信号监测，及时提出优化治理措施，消除谐波信号的产生，降低供电系统能源损耗和噪音的产生，实现系统的节能降耗。

5 现场应用

5.1 实施效果

某油田抽油机变频群控系统供电系统谐波信号控制措施前后的监测数据汇总见表1。

表1 谐波信号控制措施前后的监测数据汇总对比

从表1中可以看出，3个抽油机变频群控系统供电系统的有功功率、无功功率、电压谐波和总畸变率和电流谐波总畸变率等主要技术参数与采取主要控制措施前相比均明显下降，3个抽油机变频群控系统供电系统谐波信号均在标准允许范围之内。

5.2 综合效益评价

1）具有良好的节能效益。三个抽油机变频群控系统供电系统有功功率下降了57.07 kW，实现年节电49×104kWh，费用按0.65元/kWh计算，则产生年直接节电效益为32.49万元。同时，降低了线路与变压器的损耗率。经现场检测，该线路与变压器的损耗率由治理前8.7%下降到治理后的3.2%，取得了良好的节能效益。

2）提升了油井功率因数。3个抽油机变频群控系统供电系统平均功率因数提高了0.264 3，无功功率损耗大幅度降低，提升了电网的功率因数。

6 结论

1）有效降低电压谐波总畸变率。经检测，3个抽油机变频群控系统供电系统的输入端电压谐波总畸变率均低于5%，电流谐波总畸变率均低于50%，均达到标准要求。

2）提高了设备运行可靠性。由于谐波干扰的有效治理，大大降低了设备的故障率，延长了设备的使用寿命，减少了设备的故障维修费用。

3）提高了电网可用容量。波源外送的谐波有功功率是由从电网吸收的基波有功功率的一部分转化而成的，由此减少了电网可用容量，谐波信号的有效控制，可有效提升电网可用容量。