（控制理论与控制工程专业论文）游梁式抽油机动态无功补偿技术的研究.pdf

游梁式抽油机动态无功补偿技术的研究 黄粱松( 控制理论与控制工程) 指导教师：张加胜( 教授) 陈继明( 副教授) 摘要 游梁式抽油机是原油开采最主要的设备之一。由于其驱动电机在实 际运行中负载率和工作效率不高，致使油区配电系统的功率因数偏低， 增加了电能的损耗。目前普遍采用的节能方式是对单台抽油机进行电容 器的固定无功补偿。 针对传统无功补偿方式的缺陷，本文提出将动态无功补偿技术应用 于游梁式抽油机，设计开发了高速动态跟踪的无功补偿装置，利用实时 检测得到的系统无功需求量控制电容器的分组投切，实现了无功功率的 “按需”补偿，取得了较为理想的补偿效果。 论文详细分析了抽油机的负载特性，确定了以变压器的低压侧为动 态补偿点的技术方案，在软件仿真的环境下进行了参数配置及方案论证， 并在此基础上进行了动态补偿装置的软硬件开发。 抽油机动态无功补偿装置以m o t o r o l a 的1 6 位数字信号处理器 d s p 5 6 f 8 0 3 为控制核心，集数据采集、快速计算和复杂控制为一体，采 用快速傅立叶交换的算法计算无功需求量，实时监测配电系统的谐波状 况，通过过零触发的固态继电器完成电容器组的分时分组投切，并对投 切电容可能产生的谐波放大问题采取了抑制措施。 通过对动态无功补偿装置的现场测试，证明方式稳定可靠，节能效 果明显。 关键词；游梁式抽油机，动态无功补偿，数字信号处理器，f f t ，固态 继电器 i i r e s e a r c ho f t h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g yo f t h eb e a m - p u m p i n gu n i t h u a n gl i n g - s o n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e e m db y p r o f e s s o r z h a n g j i a - s h e n g a n d a s s o c i a t e p r o f e s s o r c h e nj i - m i n g a b s t r a c t b e a m - p u m p i n gu n i t i so i i co ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m 吼ti n r e c o v e r i n gp e t r o l e u m , b u tt h e i rd r i v e r sw o r ku n d e rt h el o wa v e r a g et o a dr a t i o a n d l o ww o r ke f f i c i e n c y , b r i n g i n ga b o u tl o wp o w e r f a c t o ra n dg r e a tp o w e r l o s si nt h eo i l - f i e l dp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k m o s te n g i n e e r sa d o p tt h e m e t h o do ff i x e dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt os a v et h ep o w e rf o rt h e b e a m - p u m p i n gu n i ta tp r e s e n l c o n s i d e r i n g t h ed e f e c to fm e t h o do ff i x e dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n , t h i sp a p e ra p p l i e st h ed y n n m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g yt ot h eb e a m - p u m p i n gu n i t s ，d e s i g n i n gh i g hs p e e dd y n a m i ct r a c k r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rw h i c hm e 觥e st h ea m o u n to ft h er e a c t i v e p o w e r r e a l - t i m ei nt h es y s t e ma n ds w i t c ht h ec a p a c i t y - u n i t sa c c o r d i n gt ot h e r e s u l to fn a s u r e a t t a i n i n gt h a tt h ed e m a n do fr e a c t i v ep o w e ri nt h es y s t e m d e t e r m i n e st h ea m o u n to fc o m p e n s a t i o nt o i m p m v e t h ee f f c c to f c o m p e n s a t i o n t h ep a p e r p a r t i c u l a r l ya n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eb e a m p u m p i n g u n i t sl o a d ，d e t e r m i n e st h et e c h n o l o g yb l u ep r i n tw h i c hs e t st h es p o to f c o m p e n s a t i o n o nt h et r a n s f o r m e r s l o w - v o l t a g es i d e ,c o n f i g u r e s t h e p a r a m e t e ra n dd e m o n s t r a t e s t h eb l u e p r i n t i nt h ee n v i r o n m e n to ft h e i i i s o f t w a r e se m u l a t o r , d e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed y n a m i c c o m p e n s a t o r m o t o r o l a s1 6b i t sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd s p 5 6 f 8 0 3w a sa d o p t e da s t h es y s t e mc o n t r o l l i n gg o t eo ft h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r ， w h i c hi n t e g r a t e sd a t ac o l l e c t i o n 、h i r g hs p e e dc a l c u l a t i o na n dc o m p l i c a t e d c o n t r o la n dw h i c hi n t r o d u c e sf a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mc o m p u t i n g t h ea m o u n to fr e a c t i v ep o w e r , i n s p e c t st h ec o n d i t i o no ft h eh a r m o n i c si n o i l f i e l dp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k c o n t r o l st h es o l i ds t a t er e l a yt os w i t c h t h ec a p a c i t y - u n i t s ，t a k e st h em e a s l u et os u p p r e s st h ep o t e n t i a li m p a c to f h a r l n o n i c s t h eb e a m - p u m p i n gu n i td y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rw a f t t e s t e di nt h eo i l f i e l dp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h er e s u l tp r o v e st h a tt h i s m e t h o di se c o n o m i c a la n dc r e d i b l e k e yw o r d s ：b e a m - p u m p i n gu n i t ，d y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , f ns o l i ds t a t er e l a y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： p o 缉笞只| ；b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 2 0 。彳年夕月3 日 2 0 一多年刍一月3 日 中国右油大学( 华东) 硕十论文第l 章前言 1 1 课题的研究意义 第1 章前言 电力是我国最主要的二次能源。随着国民经济的发展，节电降耗， 减少用电成本成为各个用电企业追求的目标。但是电力系统中存在着大 量的无功负荷，这些无功负荷主要来自电力线路、电力变压器以及用户 的用电设备。系统运行中大量的无功功率将降低系统的功率因数，增大 线路的电能损耗，严重影响用电企业的经济效益。解决这些问题的一个 有效途径就是进行无功补偿。功率因数的提高，不仅能提高供电设备的 供电能力，而且可以降低电力系统的电压损失，减少电压波动，改善电 能质量，从而节省用电成本，提高企业的经济效益。 在油田的原油生产中，机械采油的电力消耗是油区最主要的能耗之 一。就胜利油田而言，油区的抽油机负荷约占生产用电负荷的8 0 以上， 而这类负荷是一种以抽油机的冲程为周期，连续变化的负荷。在实际运 行中，由于各种因素的影响，抽油机电机的运行与负载的变化很难处于 最佳配置中，使得抽油机电机在实际运行中负载率低下，致使整个油区 低压配电系统的功率因数偏低。目前油田低压配电网的无功补偿一般针 对某台抽油机进行固定补偿【l l ，根据多年运行的情况来看，这种无功补 偿方式不能很好的满足实际补偿的需要，这主要有以下几个方面原因： ( 1 ) 电容器的容量匹配。用电容器实施固定补偿，其容量一般按照公 式q = ( o 9 5 o 8 9 ) 如u i o l 2 j 束确定，其中u 为电动机的电压( k v ) ，z o 为空载电流( a ) 。实践表明，这种理论上的选择方法对负载率较高的电 动机，能得到较好的补偿效果，而对抽油机电机这种工况复杂、负载率 中匮石往丈学( 华东) 颈士论文 第l 章前言 低的电动机，其补偿效粜很差，功率因数得不到保证。同样的电动机， 程弱戆 馔褰量，龟动壤受载搴不秘鲢睾 接魏效莱魄苓阕，整濑瓿羁期 性的负荷变化，也会使罴功功率发生变化。虽然通过实际测试和调试， 固定补偿在一段时期能保证功率因数猩o 8 5 以上，倔之后会随并下工况 交魏瑟发生改变。勇终，攘潼祝电动爹l 磐2 2 、3 0 、3 7 、4 5 、5 5 k w 等多 种容量，咆动机极数有6 极、8 极的不同，电容器规格也不同，电动机 还有新、煅之分，这些因素对无功补偿都有很大的影响1 2 1 。 ( 2 ) j 妻誊 嫠弓l 莛夔天凌裁送。由予糖渣援电极懿趸磅壤嚣复象，鼙霞 经过固定补偿功率因数达到一个很高的值，其补偿电容器也有可能会处 于过补偿状态。过补偿弓l 起的无功倒送是电力系统所不允许的，因为它 会雩l 起龟篷舞裹，蘧鸯线路窝交压嚣黥臻嚣，麴繁袋逛线路懿受擦。嚣 为线路、变压器的电能损耗与电流有效值的平方成正比，并不会因为功 率倒送而减小。因此，笼功补偿应避熊出现过补偿现象，而抽油机无功 蛰偿猜覆笈条，主下狰稷受薅交纯缀大，采弼强定 嫠筵臻率戮数速椽， 出现过补偿是难以避免的1 3 1 1 4 1 。 ( 3 ) 系统谐波的影响。由于各种电力电子器件的大量使用，使得采油 侯配毫系缀审谐波污染秘姿严重。嘏察器显然翼鸯一定豹获谐波艉力， 但过大的谐波电流会对电容器的寿命产生严重的影响，甚至有可能会造 成电容器的击穿。而这一问题往往容易被忽视，导致一些电容器莫名其 势逢臻舔。 1 2 当前的研究现状 由予游粱式擒油橇麓能潜力较大，同时虫子当酶的节能方式存在诸 多的问题，科技工作者们一直在努力尝试使用备种新的方法来提高抽油 2 中固石油大学( 毕东) 颈卜论文第1 章前占 机的节能效果。这些研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 改进或开发新型的节能抽油机。这些改进主要包括：推广使用无 游粱式抽油机，如螺杆泵抽油机等1 5 l ；改变抽油机的平衡方式，如采用 气平衡或悬挂平衡( 5 l ；采用新型的驱动殴备，如超高转差电动机、永磁 同步电动机娜6 1 等；改变游梁式抽油机的结构形式，利用计算机进行优化 设计和节能技术改造h 1 【6 1 ；采用节能传动元件，如窄皮带或同步皮带等垆1 。 ( 2 ) 晶闸管调压节能装置。装置的原理是通过控制晶闸管导通角的变 化来改变输出电压的有效值以实现对输入电压的调节。这种方法是通过 检测出电动机的功率因数或电流，来判断电动机的载荷工况，通过改变 双向晶闸管的触发相位调整电动机的电压。当抽油机所需扭矩减小时， 降低电机电压；当抽油机所需的扭矩增大时，提升电机电压。这种控制 方式比较适合抽油机的变化负载，只要电机运行的负载低于额定负载， 施加到电动机的电压就会降低。电压的降低使功率因数提高，电动机的 铁损和铜损下降。电动机的负载率越低，其节能效果越明显【6 l 。 ( 3 ) 变频调速节能装置。在异步电机上加变频器，根据油井工况对游 梁式抽油机上下冲程速度进行无级调节，使抽油井供排液系统达到动态 协调，从而提高泵抽系统的充满度。同时，利用变频器可以实现电动机 的软起动，大幅度地降低了电动机的起动电流，提高了负荷率。此外， 还可以大幅度降低电机的额定功率，尽可能地消除游梁式抽油机“大马 拉小车”的现象h j l 6 。 ( 4 ) 断续节能供电装置。这种装置的原理是当游粱式抽油机上冲程的 时候，控制器发出控制信号，接通电源进行供电：当游梁式抽油机下冲 程的时候，控制器发出切断电源的信号。这种节能装置在一定程度上节 约了电能，而且可以防止油田上经常发生的“窃电”问题1 6 1 。 中莓石油大学( 肇东) 硬十论文 第1 章薪言 上述的几种节能措施虽然能够较为明显的提商配电网的供电质量， 夔龟存在饕不同程度鹃秧憝，魄蘩羧遴箍渣褪嚣簧改变攮渣穰i 懿本体结 构，因而造价太高；采用了晶闸管调藤装置会对电网有较大的谐波污染， 产生的谐波电流会引起电机发热和振动，影响了电机的节电效果；影响 交频器在滚豳孛瘟鼹豹焱圭要夔骧嚣憝箕蛰薅舄爨，痰毒较毫，一次蛙 投资过大；断续节能供电装置这种断续供电的方法，可能会在供电、断 电的瞬间产生冲击电压，对电机产生授害。由此可以看出，开发一套成 本低、投资夺、缍稳筠攀鞍摹戆效莱鼹豹撞涵疑移瞧装要霹予掇巍毫戆 的利用率，获得可观的缀济效益具有蘸耍的现实意义。 。3 课题的研究内容翻主要工佟 随着大规模集成电路和单片机的迅速发展，使得以单片机戚数字信 号处理器为核心，集数搌采集、计算和控制为一体的控制器在撇浦极无 功於嫠上豹瘦用成本大夫降低，热上羚鄢执行环麓豹侥纯配备，使其可 以快速的究成各种复杂的控制策略，达到较为理想的补偿效果。本课题 的主要研究内容是结合传统抽油机无功聋卜偿方式的缺陷，提出将动态无 功脊偿搜零瘫雳子游粱式箍涵税，浚漳开发高速动态鼹踪豹无秘祷偿装 置。该装谶通过投切不网容量的电容器组来改变补偿容量，使补偿容量 随无功的变化而动态变他，最终达到铰为平滑的羚偿效果，达到降低线 路损耗、强离电髭质量秘减少链源游艇的霹静。 本课题主要完成了以下几个方面的工作； ( 1 ) 详纲玲板了游粱式接漓枫的运行工况积挞浊桃工作过程巾有功功 率、无功功率和功率茜数豹交 艺趋势，并确定了以配电变压器低歪溺的 出口处为幼态补偿点，对艇个配电嘲的抽油机进彳子集中补偿的策略。 4 中臻矗演天学 宠残了无魂钤嫠装受嚣捉魏赣髑，蒡褒潼务痒鲎嚣遴荦亍了瑷场测 试，骏证了动态无功补偿方案的脊效性和可 亍性。 中西矗淮大学t 华东) 壤 论交 第2 章擒藏辘确卷无璃 嫠静豫矬与臻赛 第2 章抽油视动态无功补偿懿原理与纺囊 本章酋先介绍了有功功率、无功功率等各种概念及并联电容器进行 无功於偿的原理，然后砖抽洼枫的负载特性进行了详缨的分板，磺定了 动态无功补偿静方案，激瑶基于实灏鹣数据在仿粪环境下搭建7 拯油机 动态无功补偿的模型并谶行了仿真试验。 2 。 无功魏率豹摄念 在电力难产中，发电机输出的功率有两种：一种是有功功搴，另一 耱是无功韵搴。在交滤魁浚送窝捷震建翟孛，惩予转捷魏鞋攘憝、热能、 光能等的邢部分能量叫做有功功率；用于电路内电场与磁场交换的那部 分能量叫做无功功率。冤功功率主要用来在电气设铸中建立和维持磁场 浚进毒亍9 2 鬣交换，它麓缝爨戆竣送、转换翅遥了努嚣弱条锋豫。 2 1 1 正弦电路的无功功率与功率因数的计算 在攀稳正弦毫路孛，受载是线瞧豹，毫臻孛煞奄基窝逛浚郯是正弦 波。各有关定义如下： 有功功率：p = u l c o s 8 ( 2 - 1 ) 无功功率：q=ulsino(2-2) 视在功率：s ；u l ( 2 - 3 ) 功率因数：毒= c o s 秽= p s ( 2 - 4 ) 上述式中拶，f 分瘸为瑟三弦毫路串彀疆和毫流豹蠢效毽，毋为激流滞螽 电压的相角7 1 。 6 中旧彳j 油大学( 华东) 硕卜论文第2 辛抽油机动态七功幸卜偿的原理与仿真 2 1 2 非正弦电路的无功功率与功率因数的计算 在含有谐波的单相非正弦电路中，有功功率、视在功率和功率因数 的定义均和正弦电路相同。有功功率仍为瞬时功率在一个周期内的平均 值。视在功率、功率因数分别由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 来定义。各定义如下： 有功功率：p = u 1 c o s e ( 2 - 5 ) 式中玑、l 和或分别是h 次谐波的电压、电流有效值和电流滞后电压的 相角。 r = 一厂一 视在功率：s = u = 1 f - u 。2 、f 厶 - 。2 ( 2 6 ) i 胆ly 胆- 一r 一 式中1 f 研和1 f 露分别是电压和电流的有效值。 - 月= lln ；i 功率因数的计算同式( 2 - 4 ) 。 含有谐波的非正弦电路中，无功功率的情况比较复杂，至今没有被 完全接受的科学而权威的定义。目前比较通行的做法是按以下方式定义： 无功功率：q = s 2 一p 2 ( 2 - 7 ) 在这里，无功功率q 只是反映了能量的流动和交换，并不能反映能量在 负载中的消耗。在这一点上，它和正弦电路中无功功率最基本的物理意 义是完全一致的。因此，这一定义近几年被广泛的接受。因为油田的低 压配电网含有较重的高次谐波，所以本课题采用了这一定义，在计算无 功功率时不仅包括基波的无功功率，而且还包括高次谐波的无功功率【7 1 。 2 1 3 三相电路的无功功率和功率因数的计算 三相电路的有功功率和无功功率及视在功率分别为口、6 、c 各单项 7 中嗣石油大学( 华东) 硕士论文第2 亭抽浊戡动态无功扑媸的豫理与仿真 之和，u p 有功功率：j p = v o + 圪+ v c 无臻功率；坌= 幺+ 酝+ q 视在功率：s = s o + & + 瓯 功率魏数的计算同式( 2 - 4 ) 1 7 1 。 2 4 并联电容补偿无功的基本原理 ( 2 8 ) f 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 在实际熬电力系统中，丈部分负载为电动枫。包括异步电动机在内 静绝大部分电器设器翁等效电路霹以看作电阻露与电感五串联静电路， 其功率因数为： c o s 8 = r 目鼯x i ( 2 - 1 1 ) 式中x l = 越。 给r 、三电路并联接入c 之厩，等效电路如图2 1 ( a ) 所示。该电 路豹惫滚方程为： i；ic+l配(2-12) 由潮2 1 ( b ) 麓囱量霆可翘，并联毫容焉嘏送秽与j 戆穗整差交小 了，即供电回路的功率因数提高了。此时供电电流，的相位滞后于电压 u ，这种情况称为欠补偿。 藩电容c 的容最过大，使褥供电电流，的稽位超静予电聪驴，这种 情况称为过补偿，麒向量图如图2 - 1 ( c ) 所豕。通常不希黧出现过补偿 斡馈况，因为这会蛩l 起交压器二次溅电压戆秀凝，增大电容器本身静功 率损耗，使温舞增加，影响电容嚣的寿命。丽臌容性无功功率在电力线 3 中国f j 油大学( 华东) 颂 论文第2 章抽油机动态无功补偿的原理与仿真 路上传输同样会增加电能损耗川。 一= ，一l i 一=，i型1 ：1 功率的电路和向最图 量图( c ) 过补偿向晕图 抽油机的运行工况较为复杂，其电动机有功和无功的变化也较其它 电动机有着明显的区别。因此准确把握抽油机的负载特性足研究抽油机 动态无功补偿技术的前提。 2 2 1 游梁式抽油机的运行工况 游梁式抽油机是油田应用最广的采油设备，它由底座、支架、驴头、 游梁、连杆横梁、电动机、减速器等器件组成，图2 2 给出了游梁式抽 油机的结构图，并注明了各部分的位嚣。游梁式抽油机实际上是一个往 复做一定角度摆动的特殊形状的圆，其转动中心就是中央轴承座。抽油 机运行过程中的一个上升和一个下降过程称为抽油机的一个冲程，也就 是抽油机驴头从位移最低点开始到最高点，再回到位移最低点的位置的 过程。抽油机冲程一般为缸1 2 次分钟，即变化周期为5 l o 秒。从中央 9 中国石油太学( 毕东) 颀 ：论文 第2 章抽油机动态无功补偿的原理与仿真 轴承虞中心到驴头弧面的半径尺寸和游梁摆动角度的大小，决定了抽油 机悬点上下往复的躐离也就是抽油机冲程的大小f 2 1 。 l 底座2 支架3 驴头4 游辩5 连杆横梁6 电动机7 减速器 图2 - 2 游梁式抽油机结构图 撼镳枫受芬是交 ：撅太的连续斌期经受蘅。糖澹扭在个狰程内有 2 个死点，即驴头运行到最高和袋低两个点。抽油机停车麝樽启动时， 总是从2 个死点中擞载较大的死点开始启动。闪此，要求抽油机电动机 应具鸯较大的癌动转矩。接油飙受赫特点决定选择电动枫孵，必须按最 大扭铤选配电动机。并且在实际选配过程中还鼗人为的增大电动机的裕 量，遮光疑加剧了“大马拉小车”现象，使得电动机长期在低负荷下运 行，电动掇受载率繇又严重影嫡壤动扭戆运移效率。在这秘壤提下，醚 电系统的平均功率因数一般在o 3 棚+ 4 之问，瞬损相当严重。抽油机在下 冲程接近死点的一段时期内，由于重力作用。抽油机负载会拖动电机的 转子淤簧囊转磁场载方囊旋转，磐霞其转速怒避嗣步转速，邀挽豹转差 率变为煎值。这时，该电机已不稀向外输出机械功率，而怒从原动机中 输入机械功率，通过电磁感应转换成电功率，由定子向电网输出，这时 龟秘怒藩薅援藏戆转换残龟笈豹撵建，成为7 黪步发电捉。邀手宅辊在 抽油机负载的拖动f 转速不定，其所发的电的频率和相位都不能达到电 l o 中国石油大学( 华东) 硕e 论文第2 章抽油机动态尤功补偿的原理弓仿真 网要求，从而会“污染”电网，造成电网供电不稳定，反过来又会对电 动机的正常运转产生不良影响。 2 2 2 抽油机电动机运行状态分析 根据以上对抽油机负荷特点和机理分析可知，抽油机电动机在正常 工作时有两种工作状态：当电动机拖动机械负荷运行时，电动机处于电 动工作状态，此时电动机从电网吸收有功和无功功率：当机械负荷拖动 电动机运行时，电动机处于发电机工作状态，此时电动机从电网吸收无 功功率，向电网发送有功功率。无论电动机工作在哪种状态，都要从电 网吸收无功功率。电动机处于发电状态时，由电机理论可知，电动机从 电网吸收的无功功率即空载无功功率，其大小与电机的容量直接相关。 而电动机处于电动状态时，无功功率变化则与电动机负载大小有关。现 场实际测量结果表明，抽油机上、下冲程的负荷变化，会引起0 - - 6 k v a r 的无功变化。图2 3 是采用录波器录制的胜利油田东辛一矿采油1 4 队的 营1 9 斜9 井的抽油机电机运行指标数据波形图。 图中所测抽油机的一个上下冲程周期大约为1 2 秒，由上图可以看 到，在一个冲程周期内电流的波动较为剧烈，最大时达到了5 8 a ，最小 时为4 9 5 a 。抽油机在上下冲程的周期内电机的负荷率不同，抽油机上 冲程时，电机重载，负荷率大，工作效率高，这时电机输出的有功功率 大。抽油机下冲程时，电机轻载，负荷率小，工作效率低，这时电机输 出的有功功率也就小，所以可以从图中看到有功功率会出现大幅度的变 化。同样，从图中也町以看到无功功率在一个冲程内相比于有功功率变 化要平缓很多，这是因为一部电机的容量一旦确定，电机不论是轻裁还 是重钱，其空载电流即励磁电流是基本不变的，三相励磁电流产生的磁 中国石油犬学( 华东) 硕士论文 第2 章抽油机动态无功补偿的原理与仿真 蓉 答 藿 葵 4 藿 蕻 蓉 嚣 簧 图2 - 3 营l 争斜9 并2 2 k w 电机来扑偻时的数据波形 遁形成盼旋转磁场穗爱基本绦持攀变鲍，霞予建立旋转磁场瓣无功功率 也就基本保持不变了，然而电机中除了主磁通述有漏磁通，漏磁通是由 定予和转予电流经过定子和转予绕组的潺阻抗瓶产生，漏磁通楣对于主 磁通柬l 莞虽然较小後不可忽褪，这部分磁场豹建立也需要嚣功嘲。蠢兔 电机禚上下冲程过稷中定子和转予电流是变化的，所以漏磁邋是随着电 流豹变亿褥改变的，煎改变的幅度辗对较小，褥翅上电网中的一些谐波 分量掰产生静无功功率，使得无绣功率歇整休上在一个擐，j 、静范露内波 动，由上图可以看到，电机的无功功率基本在3 8 - - 4 3 k v a r 藏右波动。由 公式矗- - c o s 0 = e ，t p 2 + 坌2 可知，当邀辊豹蠢臻翡率交纯铰小隧，其功 率因数的变化与有功功率的变化熬本相同。电机重载时，工作效率高， 功率因数也就高，最大值为0 5 。电机轻载时，工作效率低，功率因数也 裁低，甚至在潮发彀辩，功率嚣数趣理受夔，簸小篷隽一o 1 。经过谤冀 后的平均因数约为o 3 l 左右。 2 3 勘态无功补偿的原理 随筲电力电子器件发展起来的动态无功补偿技术与传统的固定容量 1 2 中同年i 油大学( 华东) 硕卜论文第2 章抽油机动态无功补偿的原理与仿真 补偿方式相比，能够实时跟踪系统的无功功率需求量，并由此决定电容 值的投入量，从而真正实现“按需所补”，能够有效解决无功功率的过补 偿，避免由此引起的过电压，同时也能够有效解决无功功率欠补偿，从 而达到较为理想的补偿效果。油田油区的配电系统大部分采用了6 k v 直 配供电方式，配电变压器将6 k v 的供电转变为3 8 0 v 后再通过低压电缆 辐射至抽油机电机【lj 。配电变压器的低压侧挂接的抽油机从1 台到数台 不等。根据上一章节对抽油机无功特性的分析可知，单台抽油机电机一 个冲程内的无功功率波动值一般在0 - - 6 k v a r 范围内，由于其无功变化太 小，对单台抽油机进行动态无功补偿时电容器组很难进行合适的容量配 置，容易出现补偿不足或过补偿，导致补偿后的功率因数偏低或出现过 补偿的无功倒送。因此，对抽油机进行动态无功补偿比较合理的做法是 将补偿点设在配电变压器低压侧的出口处，同时对一个配电网内的多台 抽油机进行动态补偿。由于配电网内每台抽油机的负荷、冲程周期或电 机额定功率会有所不同，而且油田生产过程中又时常出现修井、调节平 衡块等停井作业情况，所以从整个配电网来考虑，无功功率会出现幅度 较大的波动。因此，在配电变压器低压侧的出口处进行抽油机的动态无 功补偿，可以满足一个配电网( 区域) 内不同工作状况下的抽油机的无 功需求，改善配电网的功率因数，同时也有效的降低变压器的损耗。 抽油机动态无功补偿系统的连接示意图如图2 - 4 所示。控制器采集 配电网的电压和电流信号，计算出当前无功功率，实时监测和跟踪系统 中的无功需求鼍，通过固态继电器控制电容器组进行分组投切，从而实 现动态无功补偿。 1 3 中国后濑大学 域十论文 第2 章抽油机动态无功 p 偿的原理与仿龚 容器和各种计量元件连接到线路上，就构成了一个抽油机渤感无功补偿 的仿舆模型。在该模型中，三台抽油机电机的额定功率分别是2 2 k w 、 5 5 k w 窝2 2 k w ，瓣应嚣洚程鼹潮分爱荛撙移、1 2 移帮1 6 移。 图2 - 5 抽油机动态无功补偿仿真模型图 2 4 2 句譬粪试验分析 为了验证补偿方鬃适应无功变化的能力，拳课题进行了三组动态补 偿静傍癸试验。袅了进行对跑，簿一组试验在幸 偿蘸帮 繁籍都分瑟避 行了仿真。第一组试验是三台抽油机在正常运行情况下进符动态无功补 偿，仿粪时间设为1 6 秒。其仿真结果如下所承； ( a ) 静缮静( b ) 幸 嫠蜃 图2 - 6 抽油机正常远行时动态无功补偿仿真波形图 1 6 中囝石油大学( 华东) 碗十论文第2 章抽油机动态尢功补偿的坂理与仿真 由上图可以看到，未进行补偿时，配电网电流的变化范围为 1 1 0 1 4 5 a 。有功功率的波动范围为1 4 q ；0 k w 。无功功率的波动范围为 8 6 - x ) 2 k v a r 。以o 2 秒为时间间隔进行功率因数计算，可得平均值为0 3 7 。 进行动态补偿后，电流的最大值已降至8 2 a ，最小值只有4 3 a ，无功功 率的最小值已经接近l k v a r ，最大值也只有4 k v a r ，并且无功曲线已非常 平滑，这主要是抽油机在运行期间电容器组进行了动态投切的结果。同 样以o 2 为时间间隔计算的平均功率因数为o 8 3 。 在第二组仿真试验中，设定第一台额定功率为2 2 k w 的抽油机电机 在运行完一个冲程周期后即退出运行状态，另外两台抽油机则正常运行， 以此模拟配电网内一台抽油机的运行工况发生变化而停机的情况，仿真 时间为1 6 秒，其仿真结果图如下所示： 刘 ( a ) 补偿前( b ) 补偿后 图2 - 7 一台抽油机的运行工况发生变化时的动态无功补偿的仿真波形图 由补偿前的图形可以看出，在仿真运行到l o 秒处，由于配电网内的 第一台抽油机在此时停止了运行，从而导致电流、有功功率和无功功率 的波形曲线在这个时问点上有一个大的降落。当这种情况发生在抽油机 进行动态无功补偿时，由于动态补偿装置可以根据无功的变化迅速的改 变补偿容量，使得在一台抽油机停机后，补偿装冒能够根据剩下的两台 抽油机的无功需求量调整电容器组的投切组合，改变投切容量，继续保 1 7 中强石洼太掌( 华东矮士论文第2 章抽油鞔霸态无秘静嫠鼓辍壤每傍羹 持补偿后的滋功功率保持在一个很小的范围内( 1 , - 4 k v a r ) 。且波形曲线 戆槎对魄较挚浮，这一豢露竣麸羚撰瑟瓣霪髟孛蕾别。 在第三组仿真试验中，设定第一台2 2 k w 的摘油机在1 0 秒处停止运 行，第二台5 5 k w 抽油机柱1 2 秒处停此运行，第三螽抽油机则正常运行， 叛建模羧懿瀣瘸内嚣台捆滚瓠运簿王嚣发生交纯嚣镣筏戆揍凝。在这穆 情况下进彳予动态无功补偿时的仿真波形图如下所示： ( a ) 补偿前( b ) 补偿后 凰2 - 8 耀台接渣橇懿运孬工凝发生变豫时蘸态无功 搂豹傍真波彤图 如同上一组情况一样，由于两台抽油机分聂l 在l o 秒和1 2 秒处停机， 使得电流、有功功率和光功功率的波形曲线在这两个时间点上产生了较 大豹波动，辍壶予魂态滗磅枣 偿装置戆囊态跟踪羚馁，使褥李 髅嚣懿无 功功率依然在一个很小的范围内( 1 , - 4 k v a r ) 波动。 通过仿熊试验可知，将动态补偿点设在配电变压器低压侧的出口处， 薅配毫网爨戆多台麴洼瓤送牙魂悫无凌蛰嫠，不仅霹黻丈揠度熬提毫整 个配电网的功率因数，改善配电网的电能质量，丽殿可以适应出现各种 情况时无功大幅度的变化，取得比较理想的补偿效果。 1 8 串莓石弛太攀( 警东) 矮 论义 第3 牵麓态无功补偿装鬻躺嫒箨设诤 第3 耄动态无功补偿装置鳃硬件设计 本章主要介绍了无功补偿装置备部分的结构和功能，讨论了电容器 戆选取秘分维鼹烈，分橇了鼹于投切瞧容器缀豹弱态继电器静特点，对 控制器绐构和各部分的功能进行了详细的论述，最后介绍了抑涮谐波所 采取的措施。 3 。 电容器组的配嚣 本装鬣采用的是自愈式低压并联电容器，它童要应用于0 6 k v 以下 熬低匿耄力线路主，箕嚣 孛采覆铝或镑或锯、锌会金懿聚嚣臻簇绕卷嚣 成，绕卷过程中膜始终保持一定张力，使得元件凝有良好的自愈能力。 当膜上的薄弱点在运行过程中被击穿时，通过击穿点的电流能将击穿点 瓣近戆金簇层蒸发，傻褥绝缘髭力磐激恢复，簌露使毫容器缮爨正豢运 行。电容器单元内装有安全保护装置，当单元内部发生故障时，将自动 切断电源，电容器内还装商内部放电电阻并注以不易燃烧的硅油i l “。 3 1 1 电容器接法 电容器盼接线分为y 形接法和形接法。图3 1 为电容器缀采取 形接法豹琢理图，嚣3 - 2 为电容器采毅y 螫接法的原理蚕。 雨l 丙 图3 - 1 电容器组的形接法图3 - 2 电容器嫩的y 形接法 9 中嚣石油大学( 华东) 硬+ 论文第3 章穗森竞珐 嫠装饕豹硬件设计 一般来说，电容器多采用形接法。因为采用形接法时，电容器 嚣壤戆电糕免线邀歪，掰采惩y 形接法辩，电容嚣涎端戆电压兔镶退蓬， 由下式可知： 玩= 4 3 8 r ( 3 - 1 ) 嚣秀无臻凌搴瓣表达式为； q = u = c 2 ( 3 - 2 ) 所以当电容使c 一定时； 玩=呒(3-3) 魏；盯唧 ( 3 - 4 ) 由式( 4 - 1 ) 、( 4 - 3 ) 和( 4 - 4 ) 可知绞；3 幺。电容傻c 一定的时候， 形接法弱墩容器章 偿静冤功功率是y 形接法所补傣豹无功功率羽3 倍。 所以，电容值c 值一定时，电容器采用形接法可以补偿比y 形接法更 多的无功功率，更具有照好的经济效薇。同时，a 形接法可以浆蹑两个 投切器辞掇稍三稿电容器的授切，辑：y 型接法要节省成本。 3 。1 2 电容器组容量的选择 由第二章的论述可知，配电掰内包含一到多螽拍油机，要汁莽投切 电容器组的总容量需要计算每一台抽油机电机的无功补偿容量，而要准 确诗算这今蠖是菲掌复杂戆，襞疆农实震上逶鬻采惩售篝熬方法。对于 抽油机电机的无功补偿来说，假设功率因数要从s 仍提高到c o s 够2 ，所 需无功功率补偿容量为建，则可根据以下3 种方法来计算无功功率。 ( | ) 实溅谤葵方法。霹鬏据公式： r “h _ _ 。一，o o ”o ! 。一 q c = 只( t a n 竹- t a n 妒2 ) 一以【( 、( 1 c o s 衍) 一l 一( 1 ，c o s 硝) - 1 】 ( 3 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章动态尢功补偿装置的硬件设计 其中只为电机有功功率的实测值。 ( 2 ) 空载电流估计法。如果没有现成的测量仪器和仪表，可利用电动 机铭牌上的空载电流值以及额定电压值来确定所需无功功率的最小值。 即使将电机空载时功率因数补到“l ”，补偿后在满载时电机功率因数值 仍小于“1 ”，所需无功功率为： q cs 3 u i o ( 3 6 ) 式中u 。为电机额定电压，这里单位取k v ，厶为电动机的空载电流，单 位为a 。 ( 3 ) 经验法。可选补偿无功量绞为电动机铭牌额定功率值的1 4 - - 1 1 2 倍，即： 绞2 ( 1 2 i 4 ) p ( 3 7 ) 其中目为电动机的额定功率值，单位为k w 。 以上3 种方法，最好采用第1 种方法。因为同型号或者同功率的电 动机因各自所带的负载大小不同而功率因数各不相同，若电机功率因数 己经达到o 9 0 以上，就不需要进行无功补偿了。若功率因数低于0 9 0 ， 就需要考虑对电机进行无功补偿。显然，使用第1 种方法来确定单台抽 油机电机的无功补偿容量比较合适。最后，将计算好每一台抽油机电机 的无功补偿容量加在一起便得到了整个配电网的投切电容器的总容量 1 7 1 1 1 1 1 1 2 1 。 3 1 3 电容器的分组原则 电容器的分组一般有两种方式，即等电容分组和8 4 2 1 编码分组。等 电容分组足按照总的无功补偿容量确定几组容量完全相同的电容器，投 2 l 孛嚣石渣大学( 肇畚) 矮乇论变纂3 章动悫无功事 接装餮的横件设诗 切时依据无功功率的变化按照“后投先切，先投后切”的原则实行循环 投甥。这秘分缀方式鲍傻赢是不嚣要簇定复杂夔按铡繁沦，投翅控割较 易实现。但缺点是补偿的精度与等分的组数会产生一定的矛盾，即：若 要提高无功补偿的精度，则单个电容器的容量不能过大，但这样电容器 懿组数会稳疲戆增援，麓辩李 嫠装鬟黪成本龟蓑会秘瘫载氆热；8 4 2 1 编 码分组根据总容量按照8 ：4 ：2 ：l 的分配方式对电容器进行分缎，投切 时依据无功功率的变化选择一定的投切组合进行投切。这种分组方式较 等龟寥分缀方式有羞明簸静往势，羧为在毫容器缀数稳霹豹蓊凝下 8 4 2 1 编码方式可以有2 种组合，也就可以得到2 ”种不同的容豢值，而 等电容方式只有种组会，得到种不同的电容值。因此，采用8 4 2 1 编霹方式戮疆攥需要安疆较隽理慧戆蛰褛壤度，熊够适应无麓嚣耱骛 况的变化，且不需要配溉过多的电容器组，但它谯控制策略的文现上要 复杂些【1 3 1 。在本课题中，为了实现较为理想的动态补偿效果，弼时为了 最大程发熬逶痤嚣毫爨孛鑫现诸热终磐等蠢癸费爨麓无功功率弱交往， 本文采用的怒8 4 2 1 编码方式进行电容器的容量配凝。 3 。2 电饔豢投切秀美的选择 目前的无功补偿装鼹中，大多采用晶闸管作为电容器的投切开关。 为了保证电器嚣投入电髓和从电网中切除时邦不产生巨大的冲蛊电流， 必须对磊溺管投入薅剡滋行精确煞捡溅和控制，实现无过渡过程虢切换， 这是保证装鼹可靠运行的基础。但是，晶闸管的逻辑控制、触发电路比 较复杂，强容易因控制不当两产生误触发面影响了熊可靠性。 随着嘏力电子技术瀚发展，嚣 牛价格豹降低，在低莲系统巾采用固 态继电器米投切电容器，能有效地解决这些问题。固态继电器( s s r ， 中国石油大学( 华东) 颀 论文第3 章动态尤功补偿装胃的硬件设计 s o l i ds t a t er e l a y ) 是一种不含机械运动器件的继电器，它依赖于半导体 器件和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能，开关 速度可以达到微秒级，是一种新型无触点开关器件。与传统的继电器 ( e m r ) 相比，它具有可靠性高、寿命长、电磁干扰低、响应速度快和 抗强振动等优点。同时s s r 的输入控制信号所需功率通常很低，输入控 制电压低( 3 1 4 v ) ，驱动电流小( 3 1 5 m a ) ，约十几毫瓦就可以正常工 作。它的触发端与绝大多数逻辑集成电路( r r l 、d t l 等) 相兼容，中 间不必加缓冲器或驱动器，使得它和微处理器接口的连接非常方便。由 于其优良的工作特性，使其在许多领域得到了广泛的应用1 1 4 1 。 按照电源类型，可以将s s r 分为交流型( a c s s r ) 和直流型 ( d c s s r ) 两种。直流型是用功率晶闸管作为开关器件，交流型则用双 向晶闸管作开关器件，分别用来接通和断开电源负载：按照开关触点形 式分，可分为常开式和常闭式。按照触发信号的类型分，可以分为随机 型和过零型。 图3 3 是固态继电器的工作原理框图。 耦合电路 率： ，k强 开关 电路 a b 图3 - 3 同态继电器工作原理 从整体上看，s s r 只有两个输入端a 和b 及两个输出端a 和b ，是 一种四端器件，其触发回路接输入端，相! 当于中日j 继电器的线圈，开关 电路中的叔向品| 甲j 管足输出部分，相当于中j b j 继电器的触点部分。固态 继电器工作时，在输入端a 、b 上加控制信号，可以控制输出端a 、b 之 间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。其中耦合电路的功能是为a 、 中国石油大学( 华东) 颀 ：沧文第3 章动态无功补偿装置的硬件设计 b 端输入的控制信母提供通道，阿时起电气隔离作用，以消除输出端对 输入端的影响。耦岔电路使用“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、 输入竣毽之瘸懿笼缘等级毫。自予瓣入端戆受载楚发走