基于LCL濾波器的靜止無功發生器在鉆井作業中的應用＊

彭 程，路文梅，李 燕，李文才，王希平，左仲善

（河北水利電力學院，河北滄州061000）

基于LCL濾波器的靜止無功發生器在鉆井作業中的應用＊

彭 程，路文梅，李 燕，李文才，王希平，左仲善

（河北水利電力學院，河北滄州061000）

針對鉆井作業中電動鉆機設備功率因數低、諧波含量大，易引起電壓波動，井場設備可靠性降低的問題。研究了一種基于LCL濾波器的靜止無功發生器（LCL－SVG），分析LCL－SVG的拓撲結構及基本原理，設計無功補償容量及LCL濾波器參數。工程實踐表明，該裝置實現了對無功的動態補償，提高了鉆井平臺電能質量的穩定性和設備利用率，減少了能源消耗及環境污染，降低了鉆井成本，在石油及天然氣鉆井作業中具有較高的應用價值。

LCL濾波器；靜止無功發生器；功率因數；電壓波動；鉆井作業

1 引言

鉆井作業長期以柴油為動力，大負荷鉆進時柴油消耗量巨大，從鉆井作業開始至完工，溫室氣體排放量達千噸。與柴油機相比，電動機啟停方便，運行平穩，井場噪聲也明顯下降。網電鉆井技術先進可靠，設備調速性好，解決了泥漿泵調速問題，大大地減少柴油機油消耗、降低了成本、經濟效益節能效果隨鉆井深度的增加而更加明顯，電網供電鉆井平臺得到大范圍推廣［1］。然而由于鉆井平臺耗電量大，負荷重，需消耗大量無功功率［2－5］，從而導致功率因數低，同時大功率電機的啟停也導致電壓閃變及諧波［6］存在。電能質量低下，會使電氣設備運行故障，生活用電異常，嚴重時可能引發井場事故的發生。本文結合鉆井平臺運行問題，分析了基于LCL濾波器型的靜止無功補償器（LCLSVG）進行實時跟蹤無功補償和諧波治理的工作原理，對LCL濾波器進行了設計，LCL－SVG投入運行后不同工況下鉆井作業的電能質量均滿足要求，節約了鉆井成本，較少的環境污染，取得了較好的效果。

2 工作原理

基于LCL濾波器的靜止無功發生器（LCL－SVG）采用三相電壓型變流器，LCL－SVG電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 LCL－SVG結構圖

與傳統SVG相比，LCL－SVG將單一L濾波改進為由變流器側電感L1、電網側電感L2及濾波電容C1共同濾波。變流器中IGBT功率器件開通關斷過程中較大的di／dt產生諧波電流 ，C1為諧波提供低阻通路，使流過L1的高頻開關紋波，經L2、C1后注入電網的諧波電流得以減少。為了防止LCL濾波電路產生諧振，在C1支路中增加阻尼電阻R，使固有頻率偏移，有效地防止了諧振的產生。此外LCL濾波器縮小了電抗器的體積，提高了可靠性能。系統采用雙PI控制，電壓環維持直流側電壓平衡，電流環跟蹤電流，調節功率開關器件的占空比，控制輸出側電壓的相位及幅值，實現無功功率動態補償控制。

LCL－SVG無功電流檢測算法［7］原理如圖2所示。

圖2 無功電流檢測原理圖

該算法中要用到的與a相電網電壓Ua同相位的正、余弦信號由一個鎖相環（PLL）和一個正、余弦信號發生電路得到，其中，，C23是C32的逆矩陣。經過C32、C兩個矩陣可以計算出瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，將無功電流iq經過C23、C的矩陣逆運算得到三相電流的無功分量iaq、ibq、icq，

式（1）為LCL－SVG所需補償的無功電流分量。

3 裝置容量及LCL參數設計

3．1 無功容量設計

鉆井現場供電線路含有大量感性負載，無功功率增加，功率因數降低。鉆井平臺以功率因數為目標參數，計算無功容量，設鉆井平臺最大負荷日的平均有功功率為P（kW），補償前后平均功率因數分別為cosα1、cosα2，則無功補償容量可用下式計算：

根據鉆機運行實際工況測試發現，70D鉆機在鉆進工況下的功率因數在0．4－0．6之間。取0．5，預期補償后功率因數為0．95。經計算，現場實際鉆機最大負荷的月平均有功功率為1．67MW，代入式（2）中，得出補償無功功率為2．4Mvar。

3．2 LCL參數設計

LCL濾波器參數設計的優劣，直接影響SVG補償效果，尤其是電感設計最為關鍵，應綜合考慮電流紋波及壓降損失。

變流器側電感與網側電感比值選取在3－7之間較合適［8］，本文取5。濾波電容的設計采用工程設計法，用選用濾波電容應滿足以下要求：

本工程中由于單臺容量設計限制，采用四臺SVG并聯運行，參數設計如下：其中阻尼電阻由24個500W 1Ω繞線電阻并聯組成，以避免諧振。

4 工程現場

四川廣元蒼溪SVG網電系統配置在重鉆70146隊，將網側10 kV高壓用電纜接到井場，經變壓器變換為600V電壓，為直流電機、SVG等裝置供電。系統如圖3所示。

圖3 網電鉆井系統圖

當網電故障或停運時，由柴油發電機組作為備用電源進行切換，保證鉆井工作的正常進行。

4．1 工程裝置及運行

電動鉆機動力裝置主要由聯動機、傳動機構、泥漿泵和絞車構成。由泥漿泵開啟數量、鉆井深度、絞車起鉆下鉆等值的不同，無功功率的需求也相應變化。鉆井泵（型號：F－1600），最大功率1193kW，305mm沖程，額定沖數120t／min，兩鉆井泵工作于50沖和60沖狀態，頂驅在8%額定功率下運行（頂驅最大可運行在額定功率的20%－30%）。鉆機起下鉆，空載與滿載狀態頻繁更換，負荷突變導致閃變。4．2 LCL－SVG現場調試及啟動

調試系統與控制器通訊，使軟件工作于PWM測試狀態，由示波器測試驅動板輸出，用兩個探頭正負極分別接于IGBT驅動板門、射極，檢測上下橋臂波形，查看死區，波形如圖4所示。

圖4 死區測試

電壓相位校驗，采集網側A、B兩相相位，將高壓探頭接于SVG輸出A、B相（斷路器斷開），直流側預充電完成后，斷開預充電回路，使軟件運行在直流調壓狀態。若同相位，如圖5所示。重復上述方法，測試B、C相和C、A相相位。

圖5 相位校準

SVG運行之前，確保保護定值及裝置參數配置無誤。依次啟動風機、直流側電壓預充電、合主開關、合柜主開關、分交流預充電、直流調壓、無功電流補償、變流器啟動。

圖6所示為LCL－SVG監控系統電氣主接線圖，顯示直流側電壓Udc、各支路電流Isvg、斷路器開關狀態、母線電壓、有功功率P、無功功率Q及功率因數Pcos。

圖6 監控系統電氣主接線圖

4．3 鉆井作業關鍵工況

為減少閃變，泥漿泵檢修更換或降低負荷時，首先降低泥漿泵泵沖，將運行在較大沖程的泥漿泵降至30沖負荷，系統側電壓升高，然后切斷需檢修的泥漿泵，啟動未運行的泥漿泵，功率緩慢增加至30沖，此時兩臺泥漿泵恢復正常運行沖程。系統側電壓降低，電壓波動范圍578V－621V。鉆井深度在約4136m時，鉆機在鉆進及劃眼兩種工況下運行情況記錄見表1。

表1 電動鉆機參數記錄

提鉆、下鉆桿工況下，泥漿泵停止，兩臺絞車同時運行，單臺最大功率800kW。絞車運行，負荷上升，電流由220A數秒內上升至540A（主要波動范圍220A－350A），有功功率需求增加的同時，無功功率消耗同步增大，導致電壓降低，由604V降為585V。

4．4 工程問題

由于重鉆70146隊在廣元蒼溪勘探鉆井施工時處于弱電網，電網電壓波動由9．8kV降至9．2kV，鉆井工作時，需根據電壓波動情況，人工調節有載調壓變壓器檔位，使系統側電壓控制在合理范圍內。這樣不僅大大增加了電工的工作量，加大了對工作精度的要求，同時對司鉆的操作精度更加苛刻，為兩者的配合增加了巨大難度。

LCL－SVG不僅優化了傳統SVG的濾波電路，而且在軟件中增加濾波環節，可以調整系統參數，使得LCL－SVG運行更穩定，輸出的諧波電流更低，為系統側電壓穩定提供支撐。工程中安裝LCL－SVG，分別在柴油發電機組和電網兩種供電方式下進行輕載試驗，滿足要求。電網重載試驗時，LCL－SVG也能適應ZJ70D鉆機各種工況的無功功率需求，系統穩定性好，電氣設備無跳閘現象，電壓波動在允許范圍內。表2為電網供電時三種不同工況參數。

表2 三種工況穩定運行時參數記錄

圖4所示為LCL－SVG正常運行時錄播文件波形，Udc1為直流側電壓，穩定在1050V左右，Ia1為輸出的無功電流，Uab1為檢測到的電網電壓，錄播表明系統電壓穩定。

圖4 LCL－SVG錄波

柴油機穩定運行，效率固定，但非額定功率運行時效率降低。功率因數低，無功功率不足時，需增開直流電動鉆機時間約為鉆井周期的65%，鉆井周期按8個月計算，即增開鉆機時間為5．2個月。柴油機正常工作時耗油約47噸／月，空載運行耗油大約23噸／月，5．2個月至少需多耗油120噸。增加LCL－SVG后，可有效降低非額定運行油耗，減少運行機組臺數，大大降低油耗，減少成本。

5 結束語

LCL－SVG在鉆井平臺的成功應用，使功率因數從原來約為0．4，提高到0．92以上，對因負荷波動較大所造成的電壓波動也有較好的抑制作用。工程應用表明該裝置不僅提高了電網的電能質量，而且降低了動力系統的能量損耗，減少了能源消耗及環境污染。為以后在鉆井平臺的推廣提供參考。

［1］陳雪蓮．鉆井作業中網電鉆井技術的優勢及運用［J］．能源與節能，2015，4：108－109．

［2］張奇志，文接南，閆宏亮．鉆機井場電網動態無功補償控制器的研制［J］．電氣應用，2013，32（7）：60－63．

［3］馬西庚，趙大偉，柳 穎，等．鉆機混合型靜止無功補償控制器的研制［J］．石油機械，2008，38（4）：19－22．

［4］許山明，張立佳．無功補償技術在電動鉆機上的應用［J］．電氣傳動自動化，2011，33（5）：22－30．

［5］王建軍，王冬石，馬 俊．海洋石油鈷井平臺電站無功補償技術的應用探討［J］．測控技術，2015，34（1）：150－156．［6］李 琳，申小會，閆宏亮．電動鉆機的諧波治理及無功補償方法研究［J］．電力電子技術，2010，42（2）：54－55．

［7］王兆安，楊 君，劉進軍，等．諧波抑制和無功功率補償［M］（第2版）．機械工業出版社，2005．

［8］夏正龍．LCL濾波器的鏈式STATCOM關鍵技術研究［D］．中國礦業大學博士論文2014．

Application of static var generator based on LCL filter in drilling operation

PENG Cheng，LU Wen－mei，LI Yan，LI Wen－cai，WANG Xi－ping，ZUO Zhong－shan

（Hebei University of Water Resources and Electric Engineering，Cangzhou 061000，China）

Aiming at the problems of the low power factor and the large harmonic content of the drilling equipment that cancausethevoltagefluctuationandcanreducethereliabilityofthesiteequipment，astaticvargeneratorbased on LCL filter（LCL－SVG）is studied．The topology and the basic principles of the LCL－SVG are analyzed，and the reactive compensation capacity and the LCL filter parameters are designed．The practical engineering applications show that the LCL－SVGcanrealizethedynamiccompensationofthereactivepower，canimprovethestabilityoftheelectricalpowerquality andtheutilizationratiooftheequipmentofthedrillingplatform，can reduce the energy consumption and environmental pollution，alsocanreducethedrillingcost，andithashighapplicationvalueintheoilandgasdrillingoperations．

LCL filter；static var generator；power factor；voltage fluctuation；drilling operation

TE922

A

1005—7277（2016）06—0030—04

彭程（1986－），男，河北保定，碩士，研究方向為諧波抑制與無功補償，新能源發電及電力電子技術應用。

2016－11－15