孫長(zhǎng)征

(中國石化勝利石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司 渤海鉆井公司,山東 東營(yíng) 257200)

石油鉆井諧波抑制和無功補(bǔ)償新方案

孫長(zhǎng)征

(中國石化勝利石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司 渤海鉆井公司,山東 東營(yíng) 257200)

針對(duì)石油鉆井產(chǎn)生的高次諧波電流含量大、功率因數(shù)低的現(xiàn)狀,提出一種新型的諧波抑制、功率因數(shù)校正綜合補(bǔ)償方案。對(duì)該混合補(bǔ)償系統(tǒng)的基本工作原理和控制策略進(jìn)行詳細(xì)的分析,并對(duì)補(bǔ)償方案進(jìn)行數(shù)字仿真。仿真結(jié)果證明該綜合補(bǔ)償系統(tǒng)能夠大幅提高功率因數(shù),并有效地抑制諧波。

無功補(bǔ)償;諧波抑制;諧波諧振;功率因數(shù)

目前,我國的大部分石油鉆井的整流裝置采用的都是電力電子器件組成的低壓大電流整流電源,在運(yùn)行中會(huì)使電網(wǎng)功率因數(shù)降低,并產(chǎn)生大量諧波,影響電網(wǎng)及其他電氣設(shè)備運(yùn)行。單純的無源補(bǔ)償都存在不同程度的諧波諧振現(xiàn)象,而且無源支路的濾波性能因電網(wǎng)等效電感系統(tǒng)參數(shù)的波動(dòng)而變差[1]。筆者針對(duì)石油鉆井電源功率因數(shù)低,電網(wǎng)諧波含量偏高的問題,提出一種綜合補(bǔ)償系統(tǒng)方案。該綜合補(bǔ)償方案由靜止無功補(bǔ)償器SVC和有源濾波器APF組成。SVC中的晶閘管投切電容器TSC和單調(diào)諧無源濾波器PF除能夠補(bǔ)償一定數(shù)量的無功功率外，還能濾除由整流電源產(chǎn)生的特征諧波。晶閘管控制電抗器TCR用來綜合多余的容性無功[2]。此外,在補(bǔ)償裝置中采用諧振阻抗型混合有源濾波電路,用以抑制電網(wǎng)等效電感和無源支路之間的諧振,以及晶閘管控制電抗器產(chǎn)生的諧波電流,改善無源濾波器的性能。

1 補(bǔ)償系統(tǒng)的基本工作原理

某石油鉆井引進(jìn)了國外的4套裝置,如圖1所示的混合補(bǔ)償系統(tǒng)的供電示意圖。

圖1中混合補(bǔ)償系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,主電路是由諧振阻抗型的混合有源濾波器HAPF和晶閘管控制電抗器TCR組成。其中HAPF的無源濾波器組可以分兩個(gè)部分,一個(gè)是3次單諧波的濾波器和固定連接地二階高通的濾波器,另一個(gè)是晶閘管控制投切的電容器組TSC,由可投切5次、7次單調(diào)諧濾波器構(gòu)成[3]。

圖1 裝置供電示意圖

由圖2所示的補(bǔ)償系統(tǒng),其中混合有源濾波器HAPF由耦合變壓器和電壓型逆變器連接,其耦合變壓器的副邊和基波串聯(lián)諧振電路并聯(lián),然后和固定連接的3次以及二階高通濾波器的并聯(lián)回路串聯(lián)而成,而無功補(bǔ)償器SVC由晶閘管控制電抗器TCR和可投切的單調(diào)諧電容器組TSC以及其基波串聯(lián)的諧振電路所構(gòu)成。由于無源濾波器的容性無功功率可能導(dǎo)致公共連接點(diǎn)電壓偏高,而由晶閘管所控制的電抗器TCR的投入可以連續(xù)地調(diào)節(jié)無功功率,來平衡公共點(diǎn)的電壓,同時(shí)HAPF和TSC可一起抑制諧波,因此可同時(shí)達(dá)到無功補(bǔ)償和諧波治理的目的[4]。

圖2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略

本文中提出的混合補(bǔ)償方案,就是采取針對(duì)HAPF和SVC的復(fù)合控制策略。由圖3可以看出諧波電流和功率因數(shù)復(fù)合控制策略,cosφref為參考功率因數(shù),cosφ為電網(wǎng)反饋功率因數(shù),兩者比較后得到偏差e,經(jīng)過偏差/滯環(huán)比較,通過PI調(diào)節(jié)求取TCR觸發(fā)角以及模糊控制器計(jì)算投入TSC的數(shù)量;同時(shí),通過諧波檢測(cè)得出諧波電流信號(hào),再通過廣義積分迭代控制器處理后,得到PWM信號(hào),根據(jù)該信號(hào),通過控制HAPF逆變器產(chǎn)生期望的諧波電流輸出。

圖3 混合補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略

2.1 SVC的控制策略

SVC具有離散、非線性和連續(xù)變量共存的特點(diǎn),設(shè)計(jì)關(guān)于模糊PI控制的功率因數(shù)調(diào)節(jié)器,采用PI控制器處理連續(xù)的變量(TCR),而離散變量(TSC)采用模糊控制器來處理,同時(shí)采用面向負(fù)荷的補(bǔ)償措施,來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。模糊PI控制融合了PI控制和模糊控制技術(shù)特性,具有快速響應(yīng)、高精度以及高魯棒性的優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示,其模糊調(diào)節(jié)器是雙輸入單輸出的,誤差為e,量化因子是ke,誤差的變化率為ec,量化因子是kec,輸出為n,量化因子是kn。綜合考慮,選取誤差偏差范圍E0=0.1,控制器中比例因子是Fuzzy,ke=0.5,kec=8,kn=16, PI參數(shù)kp=0.8,ki=0.005。e、ec及n的模糊集為:{NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}、{NB,NS,ZE,PS,PB}、{NB, NM,NS,ZE,PS,PM,PB}。 取e、ec與n的論域?yàn)?[-1,1],[-0.1,0.1],[-1,1];e、ec和n為隸屬函數(shù)。

圖4 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)給定的偏差范圍E0,判定采取的控制方式。既為取得更好的瞬態(tài)性能采取模糊控制,此時(shí)偏差控制在大范圍內(nèi);而偏差在小范圍內(nèi)采取PI控制,來實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)態(tài)性能。因?yàn)樵谙到y(tǒng)運(yùn)行中,這兩種控制方式為分段切換使用,不會(huì)相互影響,因此可以對(duì)兩種控制方式分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。上述提到的偏差范圍E0實(shí)際為滯環(huán)環(huán)寬,其設(shè)定尤為關(guān)鍵,設(shè)定值偏大,則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過早進(jìn)入PI調(diào)節(jié),不能發(fā)揮模糊控制的快速性的作用,使調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng);設(shè)定值偏小,則可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)超調(diào),同樣會(huì)延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。

通過研究SVC裝置的特點(diǎn),即TCR的容量所產(chǎn)生功率因數(shù)的變化來確定出閥值E0=0.1,這樣可以實(shí)現(xiàn)模糊控制TSC的投切,即無功的“粗調(diào)”,由PI控制TCR輸出來實(shí)現(xiàn)無功的“細(xì)調(diào)”。所訂立的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

2.2 HAPF控制策略

綜合補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí),HAPF與SVC存在一定程度上的耦合。為減小對(duì)補(bǔ)償裝置性能的影響,發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用HAPF的“補(bǔ)償特定次數(shù)諧波”控制方法時(shí),能夠在很大程度上使兩者耦合度減小,這樣對(duì)裝置的性能幾乎沒有影響。因此,采用廣義上的積分算法對(duì)特定次數(shù)諧波進(jìn)行分頻補(bǔ)償,來實(shí)現(xiàn)SVC和HAPF的解耦[5]。同時(shí),采用分頻檢測(cè)進(jìn)行相位補(bǔ)償,用以消除無源濾波器導(dǎo)致的相位偏差,提高HAPF電流跟蹤控制精度。HAPF控制框圖如圖5所示。

圖5 HAPF控制框圖

(1)

實(shí)際上,在HAPF控制中,對(duì)有源濾波器來說,電流跟蹤誤差e(s)的廣義積分yC(s)要考慮的只是有限的幾次諧波,則可以滿足以下頻域方程

(2)

其中,N?{3,5,7,11,13,17,19,23},實(shí)際為HAPF需要濾除的諧波次數(shù)的集合。

因此,與常規(guī)PI控制類似,得到HAPF基于廣義上積分算法的等效控制為

(3)

式中,比例系數(shù)為KP,對(duì)m次諧波地積分系數(shù)為KIm。

本文充分利用之前控制量,提出新型廣義積分迭代控制算法,很大程度上縮小了計(jì)算量,從而得出等效控制的離散控制率。對(duì)m次諧波廣義積分的控制量為

(4)

整理得

s2uIm(s)+(mωs)2uIm(s)=2KImse(s) .

(5)

其時(shí)域方程為

(6)

式(6)的差分方程形式為

[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)

可見,只要保留上兩個(gè)控制周期廣義積分的控制量uIm(k-1)和uIm(k-2)以及上一個(gè)控制周期的電流誤差e(k-1),可以很方便地獲得新的廣義積分控制量uIm(k)。

其離散等效控制率為

(9)

3 仿真結(jié)果和分析

為驗(yàn)證本文中對(duì)混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略是否正確,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究。系統(tǒng)如圖2所示,采用PSIM仿真軟件,仿真的實(shí)驗(yàn)均以A相為例。仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)為三相電源線電壓為10 kV,頻率為50 Hz;負(fù)載為高頻開關(guān)整流電源裝置,TCR提供最大感性無功600 kvar,5、7次TSC最大容性無功500 kvar。圖6為仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,(a)為投入混合系統(tǒng)前10 kV側(cè)的電流波形及其頻譜,(b)為混合系統(tǒng)投入后10 kV側(cè)的電流波形及其頻譜,表2、表3分別為補(bǔ)償前后電流幅值和功率因數(shù)對(duì)比。

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 補(bǔ)償前后諧波電流幅值

系統(tǒng)狀態(tài)補(bǔ)償前/A補(bǔ)償后/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 補(bǔ)償前后總畸變率和功率因數(shù)

從圖6、表2和表3可以看出,投入混合補(bǔ)償系統(tǒng)前,諧波含量較高,總畸變率THD達(dá)到31%,功率因數(shù)只有0.7,明顯偏低,而投入混合補(bǔ)償系統(tǒng)后,諧波含量明顯降低,總畸變率THD降到3.9%,功率因數(shù)升高到0.95,電流波形基本上為正弦波形。

4 結(jié)束語

本文中提出的石油鉆井諧波抑制和無功補(bǔ)償新方案具有提升功率因數(shù)、消除諧波電流以及抑制諧波諧振的功能,能滿足整流電源無功補(bǔ)償和諧波治理的要求。同時(shí)仿真結(jié)果表明,該方案具有很好的補(bǔ)償性能,是石油鉆井行業(yè)很有應(yīng)用前景的電力系統(tǒng)綜合補(bǔ)償及濾波裝置。

[1] 趙曙光,趙明英,王軍寧. 混合濾波系統(tǒng)中無源濾波器的均勻設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2005,25(1):7-11.

[2] 王少杰,羅安,湯賜. 新型注入式混合有源濾波器中無源濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(33):37- 43.

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[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] 涂春鳴,帥智康,李慧. 諧振阻抗型混合有源濾波器原理及其補(bǔ)償特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(25):146-152.

[責(zé)任編輯] 袁瑞琴

2015-06-23

孫長(zhǎng)征(1973—)，男，山東日照人，中國石化勝利石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司渤海鉆井公司高級(jí)工程師，主要從事石油設(shè)備管理研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.03.007

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