动态无功补偿设备在钻井施工现场的应用

摘要：为了降低燃油成本，更好地践行节能减排政策，进一步提高50D钻机电力系统的电能质量，提出了对该电力系统进行无功补偿和谐波抑制的研究。现分析了50D电力系统中SCR和VFD电驱动系统谐波产生和功率因数低下的原因及危害，结合50D电力系统的实际情况，采用定性分析的方法，优选出了适合该电力系统的TSC+TCR无功补偿和谐波抑制方案。从实际使用情况来看，基本达到了补偿效果，谐波也得到了抑制，极大地降低了燃油成本。

关键词：燃油成本;无功补偿;谐波抑制

0    引言

在钻井施工中，电力系统中的各种谐波污染多数来自于变频调速系统和直流调速系统，这也是给柴油发电机组成的小电网系统带来严重谐波污染的起因;而且SCR直流驱动系统的功率因数比较低，造成小电网系统供电效率低下，燃油消耗过大，这些都会增加我队的生产成本。为了顺应石油市场的发展，降低成本，节能减排，减少消耗，改善50D电力系统的电能质量势在必行。

在我国，抑制谐波的方法如下：首先，传统的LC滤波器仅吸收固定频率的谐波，而且该类滤波器容易产生共振，因此现在很少使用;第二个是现在常用的有源滤波器，但其仍处于工业应用的实验和研究阶段，尤其是交互式能量和集成谐波HAPF的开发，其很难设计且比较昂贵;第三是混合过滤装置，实践证明，混合过滤的被动过滤和主动过滤相结合可以达到良好的过滤效果[1]。针对本公司50D电力系统，如何从诸多无功补偿设备中选择出适合这一特定系统的无功补偿及谐波抑制装置是本文分析的主要目的。

1    50D钻机电力驱动系统的组成

50D动力系统的发电部分使用3台MTU柴油发电机组及其控制系统来产生600 V和50 Hz的交流电。取决于现场负载条件，3套发电机可以以任意组合形式长期并联使用。本文中的SCR电驱动系统中，共有6台单台功率为800 kW的直流电动机，VFD电驱动系统中有2台单台功率为400 kW的交流电动机。由于晶闸管的相移控制，输出波形是部分截止的正弦波形，其中包含大量谐波分量。当直流电动机设备从空载频繁变为几乎满载时，无功功率的影响还将导致电源系统的功率因数从0.8迅速下降到0.3，这将导致电压急剧波动，从而大大降低电源质量。因此，有必要对电力系统进行实时无功补偿和谐波抑制。

2    50D钻机电力系统无功补偿和谐波抑制方案

2.1    静止无功补偿装置简介

随着电子技术的发展及其在能源系统中的广泛应用，一种静态无功补偿器（简称SVC）应运而生，现已广泛用于交互式能源补偿中。SVC是全面管理电压波动、谐波和电压不平衡的重要设备，另一个是APF。APF是一种新型电力电子设备，可动态抑制谐波，实现无功补偿。

根据结构原理的不同，SVC技术又分为自饱和电抗器型（Self-Saturation Reactor，简称SSR）、晶闸管控制电抗器型（Thyristor Controlled Reactor，简称TCR）、晶闸管投切电容器型（Thyristor Switched Capacitor，简称TSC）[2]、高阻抗变压器型（Thyristor Controlled Transformer，简称TCT）和励磁控制的电抗器型（AR）。静态无功补偿装置（SVC）的典型代表有晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）[1-2]。

2.2    SCR系统的无功分析

SCR系统整流器使用具有电阻负载的三相全控桥式整流器电路。当忽略电流稀释和纹波过程时，原理如图1所示。

将交流横向电抗器设置为零，并将直流L电感器设置为足够大。以α=30°为例，此时，电流是一个正负半周期为120°的方波，有效值与直流之间的关系I=。

在SCR电动操作系统中，绞盘在启动和下降时（30°<α<90°）经常从空载变为几乎满载。当钻具满负荷加载时，系统功率因数低至0.3～0.4;当绞车闲置时，系统功率因数恢复为0.7～0.8，这是典型的无功功率负荷。从以上分析可以知道，SCR电力系统需要进行实时动态能量补偿，以减少系统的交互式功率波动[3]。

2.3    静止无功补偿装置的选择

晶闸管控制电抗器（TCR）的重要特征在于，它可以连续调节无功电能，其响应速度快，可以重复操作，适用于谐波较为严重的场合。晶闸管投切电容器（TSC）是通过控制晶闸管导通和关断来使容量不等的电力电容器投入到电力系统中，其补偿数值逐渐变化，控制方法简单，但补偿不能连续控制，谐波控制效果不好，工作可靠性低，一般与晶闸管控制電抗器（TCR）配合使用。

通过电能质量分析仪测得50D电力系统在未使用无功补偿设备时正常生产条件下某一工况的电能质量情况，如表1所示。

考虑到该电力系统中的负载主要是电动机，因此它基本上是感性负载，并且具有大容量，需要补偿的容量也较大。

综合以上分析，得出以下结论：

（1）电力系统存在大量谐波，谐波主要分布在3次、5次、6次、11次、13次，电流谐波的幅值最大为117.6 A，电压谐波总畸变率为6.8%左右。

（2）电力系统中主要以感性负荷为主，约占95%，且感性总容量较大。

（3）电力驱动设备从空载到满载频繁变化所产生的无功效应会引起剧烈的电压波动和电源质量的严重下降，因此使用动态跟踪补偿更为合适。

（4）电力系统中以直流电动机驱动为主，造成系统功率因数低于0.5，占用发电机组容量较大。突出表现为：即使在仅使用单台泥浆泵的情况下，也必须至少使用两台发电机才能够满足现场工作需要。

根据以上结果，对多种补偿装置进行比较，如表2所示。

综上所述，为了提高补偿装置的响应速度，实现无功补偿和谐波抑制，并提高补偿装置的性价比，补偿电路采用TSC+

TCR的结构，集中对电力系统的600 V母线进行补偿，以克服单独使用TSC或TCR的缺点。晶闸管控制电容器（TSC）用于在抑制谐波的同时补偿电力系统中的感应无功功率，并与晶闸管控制电抗器（TCR）配合，不断调节向网络提供的无功功率的数量，从而改善系统的功率因数，保障系统的供电稳定性和质量。

2.4    TSF-0.6/50動态无功补偿及滤波装置

某公司TSF-0.6/50动态无功补偿及滤波装置的性能指标如表3所示。

3    使用某公司TSF-0.6/50型动态无功补偿及滤波装置的效果

50D钻机电力驱动系统投入使用某公司TSF-0.6/50型动态无功补偿及滤波装置后，600 V母线电力质量和功率因数有了很大改善。通过投入无功补偿及滤波装置前后部分参数的对比（表4、表5）可知，此套无功补偿及滤波装置的补偿效果良好。

以两口相邻生产井施工中，正常三开纯钻进工况下（现实情况下一进入三开就必须使用3台柴油发电机），地质情况和井深接近时为例，统计使用无功补偿前后两口井在满足最低生产需求时的燃油消耗对比情况（以两口井钻井日报为准，特殊情况除外），如表6所示。

由表6可看出，无功补偿及滤波装置投入使用后，该电力系统的谐波得到了较好的抑制，该系统的功率因数和电能质量也得到了极大的改善，同时也在很大程度上降低了燃油消耗。

4    结语

本文针对50D电驱动钻机电力系统中SCR和VFD电驱动单元产生谐波较大和功率因数低下的问题，根据实测电能质量的数据，定性分析了电力系统存在的问题，选择了TSC+TCR无功补偿和谐波抑制方案，通过综合比较，最终优选了某公司生产的型号为TSF-0.6/50的动态无功补偿及滤波装置。从实际测得的数据来看，该系统能够满足现场需要，达到了预期目标。

[参考文献]

[1] 孟祥卿，蒋华东.电驱动石油钻机电气技术[M].北京：石油工业出版社，2015.

[2] LUO A，PENG S J，WU C P，et al.Power Electronic Hybrid System for Load Balancing Compensation and Frequency-

Selective Harmonic Suppression[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（2）：723-732.

[3] 党存禄，鄢家财，宋文超，等.石油钻机SCR系统谐波抑制与无功补偿[J].电力电子技术，2010，44（10）：104.

收稿日期：2020-03-16

作者简介：王军超（1982—），男，湖北枣阳人，工程师，现任土耳其项目SP011队电气工程师，研究方向：石油钻机电驱动技术。