NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置在油田的應(yīng)用

韓飛（大慶石油管理局技術(shù)監(jiān)督中心）

油田抽油機(jī)由于特殊的工作性質(zhì)、復(fù)雜的井下工況，以及載荷的無(wú)規(guī)律變化，是造成電動(dòng)機(jī)故障的主要原因。NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置通過(guò)對(duì)三電平的監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，預(yù)先完成輸出電壓和功率設(shè)定，實(shí)時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)需要的輸入電壓和功率，達(dá)到節(jié)能預(yù)警和瞬時(shí)響應(yīng)保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的；同時(shí)具備有功節(jié)電、無(wú)功節(jié)電、變頻調(diào)參、工況預(yù)判和保護(hù)電動(dòng)機(jī)的功能，可靠性和穩(wěn)定性均有極大提升[1]。

變頻器由整流器、電容器、逆變器和制動(dòng)單元等組成。其中逆變器是變頻器技術(shù)的核心，所以逆變器的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接反映出變頻器優(yōu)劣。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前提高多電平逆變器的可靠性主要通過(guò)以下方法：

1）逆變器的并聯(lián)運(yùn)行。采用2 個(gè)或多個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行，不僅可以有效增加系統(tǒng)的可靠性，而且可以增大逆變器的容量，減小輸出電流諧波。但該方法造成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制比較困難，并且存在環(huán)流和均流問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用范圍較小。

2）逆變器采用模塊化結(jié)構(gòu)。逆變器的每個(gè)橋臂都采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊都設(shè)計(jì)成方便拆卸和安裝的形式。當(dāng)逆變器的某一器件發(fā)生故障時(shí)，直接更換整個(gè)模塊，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)逆變系統(tǒng)的運(yùn)行。此方法盡管有效地縮短了系統(tǒng)的故障時(shí)間，但一旦發(fā)生故障仍必須緊急停機(jī)，不能考慮所驅(qū)動(dòng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行要求，并且要預(yù)留充足的備用模塊。

3）逆變器硬件拓?fù)洳捎萌哂嘟Y(jié)構(gòu)。借鑒目前電力電子領(lǐng)域正在研究的三相四橋臂逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)另外設(shè)計(jì)附加的1個(gè)橋臂。當(dāng)逆變器的某一器件發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)附加的橋臂繼續(xù)維持系統(tǒng)的運(yùn)行，直到設(shè)備允許停機(jī)時(shí)維修損壞器件。此方法可以做到系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法復(fù)雜，系統(tǒng)的硬件成本增大。

以上方法都是從系統(tǒng)的硬件及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面來(lái)提高逆變器的運(yùn)行可靠性，沒(méi)有充分利用多電平逆變器本身具有的軟件控制方法上的冗余特性，并且成本較高，運(yùn)行安全隱患多，可靠性較低[2-3]。

2 NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置原理

NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置使用一種NPC三電平逆變器故障冗余控制方法，利用NPC三電平逆變器空間電壓矢量的冗余特性，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)NPC三電平逆變器在故障情況下繼續(xù)運(yùn)行；根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓，并可根據(jù)需要自動(dòng)/手動(dòng)設(shè)定輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)生產(chǎn)的閉環(huán)控制，在不增加系統(tǒng)硬件成本的基礎(chǔ)上，有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)，提高系統(tǒng)的可靠性。圖1為NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置原理，其特點(diǎn)如下：

1）實(shí)時(shí)對(duì)逆變器各種器件故障進(jìn)行檢測(cè)，確定故障的位置及類(lèi)型，形成與故障類(lèi)型和位置對(duì)應(yīng)的故障碼。

2）按照不同的故障碼確定不同故障狀態(tài)下?lián)p失的電壓矢量，繪出故障狀態(tài)的空間電壓矢量分布圖。

3）分析此故障狀態(tài)下逆變器是否能夠繼續(xù)運(yùn)行，即是否還能合成旋轉(zhuǎn)參考空間電壓矢量。

4）分析此故障狀態(tài)下逆變器是否需要降級(jí)運(yùn)行，即計(jì)算合成的旋轉(zhuǎn)參考電壓矢量的最大幅值，是否依然能夠形成長(zhǎng)電壓矢量構(gòu)成的正六邊形內(nèi)切圓。

5）對(duì)于能夠繼續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，采用SVPWM方法進(jìn)行合成矢量的選擇，各矢量作用時(shí)間的計(jì)算及各矢量切換順序的優(yōu)化。

圖1 NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置原理

2.1 NPC三電平逆變器A相故障損失O狀態(tài)

圖2 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失O 狀態(tài)時(shí)空間電壓矢量分布。當(dāng)A相開(kāi)關(guān)管發(fā)生下列四種故障之一時(shí)A 相損失O 狀態(tài)： S1短路、 S2短路、D1開(kāi)路、 D2開(kāi)路。A 相損失O 狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量( )OOO 、小矢量 （ONO 、 ONN 、OON 、OPO 、OPP 、OOP）、中矢量 （OPN 、ONP）和大矢量( )NPP、PNN 。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時(shí)，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當(dāng)參考空間電壓矢量位于第二和第五扇區(qū)時(shí)，損失的中矢量沒(méi)有冗余矢量，此時(shí)使用零矢量和兩個(gè)大矢量來(lái)合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度與正常狀態(tài)相同，逆變器仍可原級(jí)運(yùn)行。

2.2 NPC三電平逆變器A相故障損失P狀態(tài)

圖3 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失P 狀態(tài)時(shí)空間電壓矢量分布。當(dāng)A相開(kāi)關(guān)管發(fā)生下列四種故障之一時(shí)A 相損失P 狀態(tài)： S1開(kāi)路、 S3短路、D1開(kāi)路。A相損失P狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量( PPP )、小矢量（PPO、 POO、 POP）、中矢量（ PON 、 PNO ） 和 大 矢 量 （ PPN 、 PNN 、PNP）。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時(shí)，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當(dāng)參考空間電壓矢量位于第一和第六扇區(qū)時(shí)，損失的中矢量沒(méi)有冗余矢量；位于第一、第二、第五和第六扇區(qū)時(shí)，損失的大矢量沒(méi)有冗余矢量，此時(shí)整個(gè)周期都利用零矢量和小矢量來(lái)合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度減小為原來(lái)的1/2，逆變器降級(jí)運(yùn)行。

圖2 A相故障損失O狀態(tài)

圖3 A相故障損失P狀態(tài)

2.3 NPC三電平逆變器A相故障損失N狀態(tài)

圖4 是NPC 三電平逆變器A 相故障損失N 狀態(tài)時(shí)空間電壓矢量分布。當(dāng)A相開(kāi)關(guān)管發(fā)生下列三種故障之一時(shí)A 相損失N 狀態(tài)： S2短路、 D2短路、S4開(kāi)路。A相損失N狀態(tài)后損失的矢量包括零矢量、小矢量（NON 、NOO、NNO）、中矢量（ NPO 、 NOP ） 和 大 矢 量 （ NPN 、 NPP 、NNP）。該種狀態(tài)合成參考空間電壓矢量時(shí)，損失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；當(dāng)參考空間電壓矢量位于第三和第四扇區(qū)時(shí)，損失的中矢量沒(méi)有冗余矢量；位于第二、第三、第四和第五扇區(qū)時(shí)，損失的大矢量沒(méi)有冗余矢量，此時(shí)整個(gè)周期都利用零矢量和小矢量來(lái)合成參考空間電壓矢量，可合成參考空間電壓矢量的幅度減小為原來(lái)的1/2，逆變器降級(jí)運(yùn)行[4-5]。

圖4 A相故障損失N狀態(tài)

3 應(yīng)用效果

在油田某采油廠對(duì)1臺(tái)安裝了NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置的抽油機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通過(guò)使用NPC 三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置進(jìn)行前后對(duì)比測(cè)試，1臺(tái)抽油機(jī)安裝前功率因數(shù)為0.737 0，安裝后功率因數(shù)為0.850 8。

通過(guò)前后對(duì)比測(cè)試節(jié)能效果（表1）如下：

表1 使用NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置前后對(duì)比測(cè)試節(jié)能效果

節(jié)能率為4.87%；該設(shè)備的年節(jié)電量按300 天計(jì)算，年節(jié)電量為1 850.4 kWh。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)井應(yīng)用NPC三電平調(diào)壓保護(hù)控制裝置前后對(duì)比測(cè)試，結(jié)論如下：

1）有零速轉(zhuǎn)矩保持功能。

2）低速轉(zhuǎn)距矢量環(huán)的調(diào)節(jié)增加了電動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)。

3）控制方便，可在本地和遠(yuǎn)程之間控制切換，同時(shí)也可以切換工頻運(yùn)行和變頻控制運(yùn)行。

4）有快速限流功能，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5）有良好的保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、過(guò)流保護(hù)，抽油桿斷裂保護(hù)等，確保抽油機(jī)的安全運(yùn)行。

6）可以有效提高節(jié)能率，節(jié)能效果顯著。