潛油電泵機組無功補償系統的仿真研究

姜建國 田金艷 劉松斌

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

在油田生產中被廣泛應用的潛油電機是非常重要的機械采油設備，其實質是三相異步電動機。潛油電機的負載是脈動負載，其所配電動機功率高于平均負載功率[1～4]。由于大量無功電流的存在，增大了線路和變壓器的損耗，降低了電網的供電能力，嚴重影響供電質量[5，6]。因此對潛油電機進行實時的無功動態補償顯得十分緊迫和必要。此外，系統一般還存在不對稱情況，對電力系統和設備的運行十分不利[7～9]。隨著電力電子技術的發展，將靜止無功發生器系統應用于油田設備進行無功補償，但是傳統無功電流提取方式的p-q法和ip-iq法在檢測時都有諸多缺陷[10]。為此，筆者基于瞬時無功功率理論，研究了一種新型改進的無功電流提取算法，以期能夠更好地滿足系統的無功補償要求。

1 無功發生器的基本結構與原理①

三相靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)最常用的類型是電壓型逆變器[11]。如圖1所示，逆變器采用的是三相全橋電壓源逆變器，它是將直流側電壓逆變成交流電壓，通過電抗器并聯在電網上，達到補償無功電流的目的，電抗器起到阻尼過流和濾除紋波的作用。以SVG的單相等效電路來說明其工作原理，在忽略SVG中電抗器及變流器等損耗的情況下的單相等效電路工作原理和向量圖如圖2所示。當逆變器交流側電壓高于系統電壓時，發出感性無功；反之則是發出容性無功[4]。

圖1 壓型橋式變流電路結構

圖2 SVG單相等效原理

2 改進的無功電流檢測算法

根據文獻[12]可知，ip-iq運算方式的結構如圖3所示。

圖3 ip-iq運算方式的結構框圖

ip-iq在檢測時需運用鎖相環來獲得A相的相位角ωt，鎖相環在一定程度上不僅有延時而且信號易受干擾[13，14]。這里采用一種改進的無功檢測算法，在不用對電壓進行鎖相的情況下，直接在工頻下正確地檢測出基波正序和負序無功電流，不受電網畸變和頻率影響。設三相三線制電網電壓(正序和負序電壓分別用1n和2n表示)為：

(1)

進行abc-αβ變換可得：

(2)

在此構造一個矩陣c0：

(3)

其中ω0為函數發生器的角頻率，設為314π；θ為初相位角，可以為任意值，則可以得到：

(4)

(5)

經過反變換求得基波正序分量為：

(6)

因此，可以得到基波電壓同步旋轉角：

(7)

因此可以將圖3的ip-iq法改進為如圖4所示的正、負序同步檢測無功電流的無鎖相環控制方法。

3 正、負序無功同步補償的直接電流控制策略

系統電壓不平衡或負載不對稱時，系統中會產生負序電流，此時三相電流不對稱，對用電設備和電網造成不良影響，國家對電流不對稱也有嚴格的質量要求[15,16]。為補償無功電流并抑制系統不平衡，采用基于三角波比較下正、負序無功同步檢測方法，獲得系統中的正序無功電流和負序無功電流之和，與直流側電壓反饋環經PI調節后的信號一起作為補償電流的參考值，對正、負序無功同步進行補償的同時，維持直流側電容電壓的恒定,具體流程如圖5所示。

圖4 改進的正、負序無功同步檢測運算方式結構框圖

圖5 正、負序同步補償控制策略

4 基于SVG的潛油電機無功補償系統仿真

4.1 潛油電機無功補償系統建模

針對潛油電機進行無功補償的系統仿真結構如圖6所示，以YQY107-60型潛油電機為例，其額定電壓1 500V，額定電流39A，額定功率60kW。

4.2 仿真分析

為驗證系統的動態補償功能，電機在0.3s前給定負載標稱值為200N·m,0.3s后給定的負載標稱值為300N·m，如圖7所示，以A相為例進行分析，圖8、9分別是補償前、后的電流和電壓波形，可以看出補償前電流滯后電壓一定值，補償后系統電壓與電流基本同相位。從圖10可以看出，系統無功近似為0，功率因數接近1。系統對電機負載的動態補償結果較為理想。

為驗證系統對電流不平衡的抑制能力，在上述基礎上再在A相和B相間串一個0.5H的電感，圖11為未補償時的系統電流波形，此時電流嚴重不對稱；圖12是采用傳統ip-iq法補償后的系統電流波形，此時系統無功得到一定的補償，但是系統的電流不平衡依然存在；圖13為正、負序同步補償后的系統電流波形，可以看出系統的無功補償能力和電流不平衡的抑制效果良好。

圖6 潛油電機無功補償系統仿真結構

圖7 電機轉矩曲線

圖8 補償前的系統電壓和系統電流曲線

圖9 補償后的系統電壓和系統電流曲線

圖10 補償后的有功和無功功率曲線

圖11 補償前系統電流波形

圖12 傳統ip-iq補償后系統電流波形

圖13 正、負序無功電流同步補償后的電流波形

5 結束語

采用改進的正、負序無功電流同步檢測算法無需鎖相環，工頻下可以同時提取正序無功與負序無功電流；在此基礎研究的正、負序同步補償策略，經Matlab仿真分析，證明該方法不僅可以滿足潛油電機的無功補償需求，還可以有效抑制系統的電流不平衡。