潜油电泵机组无功补偿系统的仿真研究

2014-08-03姜建国田金艳刘松斌

化工自动化及仪表 2014年8期

姜建国田金艳刘松斌

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆 163318)

在油田生产中被广泛应用的潜油电机是非常重要的机械采油设备，其实质是三相异步电动机。潜油电机的负载是脉动负载，其所配电动机功率高于平均负载功率[1～4]。由于大量无功电流的存在，增大了线路和变压器的损耗，降低了电网的供电能力，严重影响供电质量[5，6]。因此对潜油电机进行实时的无功动态补偿显得十分紧迫和必要。此外，系统一般还存在不对称情况，对电力系统和设备的运行十分不利[7～9]。随着电力电子技术的发展，将静止无功发生器系统应用于油田设备进行无功补偿，但是传统无功电流提取方式的p-q法和ip-iq法在检测时都有诸多缺陷[10]。为此，笔者基于瞬时无功功率理论，研究了一种新型改进的无功电流提取算法，以期能够更好地满足系统的无功补偿要求。

1 无功发生器的基本结构与原理①

三相静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)最常用的类型是电压型逆变器[11]。如图1所示，逆变器采用的是三相全桥电压源逆变器，它是将直流侧电压逆变成交流电压，通过电抗器并联在电网上，达到补偿无功电流的目的，电抗器起到阻尼过流和滤除纹波的作用。以SVG的单相等效电路来说明其工作原理，在忽略SVG中电抗器及变流器等损耗的情况下的单相等效电路工作原理和向量图如图2所示。当逆变器交流侧电压高于系统电压时，发出感性无功；反之则是发出容性无功[4]。

图1 压型桥式变流电路结构

图2 SVG单相等效原理

2 改进的无功电流检测算法

根据文献[12]可知，ip-iq运算方式的结构如图3所示。

图3 ip-iq运算方式的结构框图

ip-iq在检测时需运用锁相环来获得A相的相位角ωt，锁相环在一定程度上不仅有延时而且信号易受干扰[13，14]。这里采用一种改进的无功检测算法，在不用对电压进行锁相的情况下，直接在工频下正确地检测出基波正序和负序无功电流，不受电网畸变和频率影响。设三相三线制电网电压(正序和负序电压分别用1n和2n表示)为：

(1)

进行abc-αβ变换可得：

(2)

在此构造一个矩阵c0：

(3)

其中ω0为函数发生器的角频率，设为314π；θ为初相位角，可以为任意值，则可以得到：

(4)

(5)

经过反变换求得基波正序分量为：

(6)

因此，可以得到基波电压同步旋转角：

(7)

因此可以将图3的ip-iq法改进为如图4所示的正、负序同步检测无功电流的无锁相环控制方法。

3 正、负序无功同步补偿的直接电流控制策略

系统电压不平衡或负载不对称时，系统中会产生负序电流，此时三相电流不对称，对用电设备和电网造成不良影响，国家对电流不对称也有严格的质量要求[15,16]。为补偿无功电流并抑制系统不平衡，采用基于三角波比较下正、负序无功同步检测方法，获得系统中的正序无功电流和负序无功电流之和，与直流侧电压反馈环经PI调节后的信号一起作为补偿电流的参考值，对正、负序无功同步进行补偿的同时，维持直流侧电容电压的恒定,具体流程如图5所示。

图4 改进的正、负序无功同步检测运算方式结构框图

图5 正、负序同步补偿控制策略

4 基于SVG的潜油电机无功补偿系统仿真

4.1 潜油电机无功补偿系统建模

针对潜油电机进行无功补偿的系统仿真结构如图6所示，以YQY107-60型潜油电机为例，其额定电压1 500V，额定电流39A，额定功率60kW。

4.2 仿真分析

为验证系统的动态补偿功能，电机在0.3s前给定负载标称值为200N·m,0.3s后给定的负载标称值为300N·m，如图7所示，以A相为例进行分析，图8、9分别是补偿前、后的电流和电压波形，可以看出补偿前电流滞后电压一定值，补偿后系统电压与电流基本同相位。从图10可以看出，系统无功近似为0，功率因数接近1。系统对电机负载的动态补偿结果较为理想。

为验证系统对电流不平衡的抑制能力，在上述基础上再在A相和B相间串一个0.5H的电感，图11为未补偿时的系统电流波形，此时电流严重不对称；图12是采用传统ip-iq法补偿后的系统电流波形，此时系统无功得到一定的补偿，但是系统的电流不平衡依然存在；图13为正、负序同步补偿后的系统电流波形，可以看出系统的无功补偿能力和电流不平衡的抑制效果良好。