随着电力电子技术的发展, 电动钻机以其调速特性好、传动功耗小、控制灵活、可靠性高、便于搬迁和安装等机械驱动钻机无法比拟的特点, 在国内外各油田钻井公司钻机更新换代中成为主流产品, 在石油钻井工程上得到了广泛的使用。如何充分发挥电传动装置的优越性, 提高电气设备运行稳定性, 同时又能进一步降低能耗, 显得越来越重要。
电动钻机分为直流驱动和交流变频驱动两种, 都是通过大功率电子开关元件的开关动作来实现能量的转换, 因此都存在谐波污染的问题[1]。由于大量谐波的存在, 使得交流电机机械振动、噪音增大, 使电缆、电机等设备过热, 造成绝缘老化、使用寿命缩短[2], 同时使钻井仪表经常出现死机、显示不准确等故障, 营地空调无法正常工作, 潜水泵、整流器等对谐波敏感的小电器经常烧毁等, 甚至出现了由于谐波干扰, 导致顶驱控制系统无法正常运行, 需要额外增加净化电源的情况, 给钻井日常生产带来了很大的影响。直流驱动电动钻机除了谐波较大以外, 功率因数还很低, 通常在0.5以下。由于电动钻机由自备柴油发电机组提供动力, 功率因数很低导致发电机组有功功率占视在功率比例较小, 出力不足, 在某些工况下不得不多开一台发电机组来满足现场的需要, 大大增加了油耗和发电机组维护费用。为响应国家节能降耗的号召, 同时保障钻井电气设备的安全可靠运行, 提高发电设备利用率, 降低钻井成本, 在直流电动钻机电控系统中加装谐波治理和无功补偿装置已十分必要。
无源滤波器是传统的谐波抑制方法, 采用LC调谐滤波器, 主要是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置, 与谐波源并联进行滤波。利用电感、电容元件的谐振特性, 在阻抗分流回路中形成低阻抗支路, 从而减少流向电网的谐波电流。
随着相控脉冲宽度调制技术 (PWM) 和四象限变流技术的发展, 国际上对有源滤波器 (APF) 的研究逐渐活跃起来。以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源滤波器中得到了成功的应用, 极大的促进了有源电力滤波器的发展, 逐渐成为治理谐波污染、提高电能质量的最有效的工具。
有源滤波装置主要是通过实时监测线路电流, 并把监测到的谐波转化为数字信号处理器中的数字信号, 同时数字信号处理器产生一系列宽频脉冲调制信号, 驱动IGBT功率模块通过线路电抗器向电网输出相位与谐波电流相反、幅值相等的电流, 两种谐波电流相互抵消, 使总谐波电流为零, 从而达到滤除谐波, 净化电网电流的目的。
无源滤波器既可以补偿谐波, 又可以补偿无功功率, 而且结构简单, 投资较少, 一直以来都被广泛使用。但这种方案的主要缺点是补偿特性受电网阻抗及负载特性影响较大, 容易发生并联谐振, 导致谐波放大, 使滤波器过载甚至烧毁。此外, LC调谐滤波器只能抑制固有频率的谐波, 难以对变化的无功功率和谐波分量进行有效的补偿和抑制。
与无源滤波器相比, 有源滤波器不仅能补偿各次谐波, 还可抑制闪变、补偿无功, 具有高度可控制和快速响应特性, 可自动跟踪补偿变化着的各次谐波、自动产生所需变化的无功功率, 其特性不受系统阻抗等影响, 无谐波放大危险, 相对体积重量较小等突出优点。有源滤波器处于独立运行状态, 不会影响系统中其它设备的正常工作, 不会危害电网安全, 当负载的谐波量大于有源滤波器额定能力时, 有源滤波器能按额定功率工作, 不会发生过载而导致设备毁损。此外有源滤波器可以方便的与其它各种类型滤波补偿装置组合使用, 而且受电网参数的改变影响小 (如发电机组的并联、解列等) , 设计选型时无须进行复杂的电网分析。
采用接触器投切固定电容器组进行无功补偿, 其结构简单, 成本较低, 实现了跟踪负荷变化动态补偿无功功率, 但由于响应速度较慢, 补偿特性并不平滑, 适合负荷变化相对比较平稳、补偿精度要求不高的场合。
采用晶闸管投切电容器与电抗器的串联回路, 其小电抗器主要是用来抑制电容投入电网时可能造成的冲击电流。由于用电力电子元件晶闸管作为无触点开关代替有触点的机电设备接触器, 使工作可靠性、寿命、响应时间等都有提高, 可适用于投入或切出较为频繁的场合, 是取代MSC的换代产品, 在目前的静止型动态无功补偿设备中占主导地位。
TCR的单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联, 相当于电感负载的交流调压电路。单独的TCR只能吸收感性的无功功率, 往往与并联电容器配合使用, 从而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内。如图1所示。
当要求其补偿范围能延伸至容性和感性两个领域时, 其电抗器的容量必须大于电容器的容量。其缺点主要是当补偿器在吸收较小的容性或感性无功功率时, 其电抗器和电容器上其实已经吸收了很大的无功功率, 都有很大的电流流过, 只是相互抵消了而已。
SVG基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或直接并联到电网上, 适当调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位, 或者直接控制交流侧电流, 就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流, 实现动态无功补偿的目的。其具有体积小、响应速度快、无谐波污染、对电网呈现电流源特性等优点, 是目前最先进的无功补偿与谐波治理设备。但是由于设备复杂程度高、开关器件可靠性差、价格昂贵等原因, 使得这种设备的性价比较低, 目前现场应用还较少。
几种无功补偿装置的简要比较见表1[4～5]。
综合比较上述各种因素, 选择采用有源滤波结合TSC动态无功补偿装置, 结构相对简单, 造价适中, 能满足电动钻机负荷特性。装置的组成及工作原理如图2所示。
系统主电路由一面进线开关柜、两面总容量为640A有源滤波柜和四面总容量为2000kVar的TSC动态无功补偿柜组成。
(1) TSC补偿装置从网络检测、运算到电子开关触发可控硅模块投切电容器组实现无功补偿, 总的响应时间控制在5ms～20ms, 实现对电网的每一周波进行无功功率补偿, 适用于钻机、电焊机、空压机等突变负荷的无功补偿。 (2) 使用电子开关元件快速投切电容器组, 电器的导通和关断在零电流的时候进行, 这样避免了传统的接触器投切电容器组带来的浪涌电流, 延长了动态补偿系统的寿命。 (3) 有源滤波器从监测到各谐波分量到产生精确有效的反向谐波分量的完整闭环控制过程总响应时间<20ms, 能同时滤除20种谐波, 并可根据需要对谐波次数和滤除谐波的目标值进行单独设定, 典型滤波效率达97%以上。 (4) 滤波器具有缓启动控制回路, 以避免启动瞬间过大的突入电流。能够自动地适应电网阻抗的变化, 无需进行复杂的电网分析。 (5) 具有电压、电流、频率、电压畸变、电流畸变、有功功率、无功功率、功率因数等参数的监测显示功能, 并可记录实时事件、故障报警信息等。 (6) 整套装置均采用模块化结构, 具备完善的自诊断和保护功能, 便于安装和维修, 同时具有可扩展功能。
该系统在油田某50D钻机施工的3800m生产井投入使用2个多月, 在起下钻、钻进、循环等各种工况下, 都能正常运行, 谐波电流含量控制在8%以内, 谐波电压畸变率控制在4%以内, 系统功率因数从0.3～0.5之间补偿到0.9以上, 从而在大多数情况下, 只需要开一台发电机组就能满足工况要求, 提高了发电设备利用率, 大大降低了油耗。
通过在直流电动钻机电控系统中加装谐波治理和无功补偿装置, 能有效抑制钻井井场电网中的谐波并补偿无功功率, 提高了直流电动钻机控制系统工作的安全性和经济性, 保障了井场电气设备的安全平稳运行。同时其功率因数和谐波含量符合国家有关电能质量标准, 为今后直流电动钻机采取工业电网直接拖动打下了较好的基础。
摘要：由于直流电动钻机功率因数很低, 同时采用大功率SCR整流装置产生了大量的谐波, 为提高钻机供电系统电能质量, 保障井场电气设备的安全平稳运行, 降低能耗, 需加装谐波治理与无功补偿装置。有源滤波结合TSC型动态无功补偿装置, 现场谐波抑制与无功补偿效果较好, 并且经济效益明显, 可以满足钻井生产的需要。
关键词：直流电动钻机,谐波治理,无功补偿
[1] 张奇志, 李琳.电动钻机自动化技术[M].北京:石油工业出版社, 2006.
[2] 林海雪, 孙树勤.电力网中的谐波[M].北京:中国电力出版社, 1998.
[3] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术装备[M].北京:中国电力出版社, 2006.
[4] 谭刚强, 王豫, 沈凡尔, 等.钻机油改电技术与钻井工艺适应性研究[J].石油矿场机械, 2011, 40 (6) :29～33.
[5] 税理中.江苏油田钻机网电拖动技术改造[J].石油矿场机械, 2011, 40 (6) :94～9 7.
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