TCR+FC无功补偿系统在直流驱动石油钻机中的应用

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【摘 要】: 在石油钻井行业, SCR直流电动钻机在调速过程中, 无功分量占很大的比重, 能源浪费较大，且产生的高次谐波对设备使用寿命和安全运行都有不同程度的影响，供电质量较差。在采用tcr+fc无功补偿装置后, 供电系统功率因数达到0.95以上，电压谐波畸变率明显降低，尖峰电压明显改善，钻机系统供电质量明显得到改善，且节能减排效果显著。

【关键词】：TCR；FC；无功补偿；谐波；节能减排

引言：

根据国家节能减排新的能源政策，以适应国际能源和环境发展趋势，静止型无功补偿装置（Static Var Compensator----SVC）、有源滤波器（Active Power Filter----APF）、静止无功发生器（Static Var Generator----SVG）在石油钻井行业得到了一定的应用。其中SVC的典型代表，晶闸管控制电抗器+固定电容器（Thyristor Controlled Reactor+Fixed Capacitor----TCR+ FC）具有连续可调、响应迅速，技术成熟等特点，因此在石油钻井行业得到了大力推广和应用，尤其是在直流驱动的钻机系统，电能质量明显改善，节能效果显著。

1 直流电动钻机电能质量状况

直流电动钻机一般采用3~5台600V柴油发电机组并网作为动力，部分电网发达的地区也有采用公共35KV、10KV、6KV线路经降压至600V为钻机供电。无论是柴油发电机供电还是公共电网供电，在SCR 供电系统中, 采用三相桥式全控整流电路, 此时的功率因数为：COSφ=COS(α+γ/2)其中α为可控硅控制角, γ为换相重叠角。为了保证钻机在额定负荷时仍能控制电动机,尤其是绞车在起下钻工况时，无功功率频繁的从空载到满载变化，属于典型的冲击性无功功率负荷。当绞车空载时，可控硅的最小控制角αmin=30°，换向重叠角γ=15°～25°，最大功率因数COSΦmax=COS (30°+15°/2)～COS (30°+25°/2)=0.79～0.74；当绞车满载起钻具时，即大负荷、低速工况，可控硅最大控制角αmax=60°, 换向重叠角γ=15°～25°, 最小功率因数COSΦmin= COS(( 60°+15°/2) ～COS( 60°+25°/2) =0.38～0.30, 由此可以断定直流钻机的功率因数COSΦ 的变化范围应该在0.30～0.79 之间。

显然, 功率因数低是可控硅调速时控制角的后移使电流相位滞后于电压相位偏大而造成的滞后无功功率(即感性无功功率)，同时SCR 的斩波也产生高次谐波, 以5、7、11 次谐波含量最高, 因此, 要提高柴油发电机组或公共电网电力变压器供电系统的电能质量, 主要是补偿无功功率，提高功率因数，减少系统中的5、7、11 主要特征次谐波含量，改善电压波形的畸变率。

2 TCR+FC型SVC装置原理

FC+TCR型动补装置的补偿原理见图1所示。图中为电容器功率，为负载感性无功功率，为补偿器所提供的感性无功功率。 TCR感性无功功率对负载的感性无功功率和电容器组的容性无功功率起平衡作用，以使系统电压及功率因数保持为恒定值。

负载工作在不同的状态所产生的无功功率也是不同的，例如当负载起动时，所消耗的无功功率很大，功率因数很低，此时TCR发出的无功功率迅速减小，此时容性无功功率大部分用于补偿负载无功功率。当负载进入等速运行阶段后，所需的无功功率减小，电容器会产生过补偿，TCR会提供一部分感性无功功率以补偿容性无功功率的多余部分。当负载停止时，TCR 补偿器全部投入，用于补偿FC的容性无功功率。

3 TCR+FC补偿方式技术特点

（1）全数字化控制系统，完美解决谐波问题，动态响应速度快；

（2）可实现同控、分控、平衡化多种控制方式,使系统功率因数保持在0.9～1之间，且不产生无功返送；

（3）谐波治理达到国标GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》的规定；

（4）响应速度在20ms以内迅速补偿系统无功,保持电压稳定.母线电压波动在2%内，电压畸变率小于3%。

4 现场应用实例

4.1 TCR+FC系统在柴油发电机组供电的ZJ70D电动钻机上的应用

使用地点：中石油西部钻探准东钻井公司70107钻井队YM2-3井

测试时间： 2009年4月，当时井深5260米。

（1）功率因数补偿性能

钻进工况下，无功补偿装置投入前后功率因数曲线如图2所示：

垂直光标左侧为补偿装置投入后功率因数变化曲线,右侧为补偿装置退出后功率因数变化曲线。

（2）无功补偿动态跟随性

下钻工况时，无功补偿装置投入前后无功功率变化曲线如图3所示：

垂直光标左侧为补偿装置投入前系统的无功功率变化曲线，右侧为补偿装置投入后系统无功功率变化曲线。

通过设备投入前后功率因数的变化和无功功率的变化曲线可以看出，在正常的钻井作业中，系统中的功率因数明显提高，无功功率变化幅度得到很好的控制，整套系统动态调节速度能够有效的跟踪钻机负载的快速变化。

（3）谐波电压改善性能

钻进工况时补偿装置投入前各次谐波电压含有量：

数值分析：基波电压值332.67V 。

5次电压值24.03V, 含有量7.22% 。

7次电压值11.08V, 含有量 3.33% 。

钻进工况时补偿装置投入后各次谐波电压含有量:

数值分析：基波电压值339.58V 。

5次电压值1.31V, 含有量0.39% 。

7次电压值1.79V, 含有量 0.53% 。

通过补偿装置投入前后数据对比可以看出，补偿装置投入后5次、7次谐波电压含量分别减小了6.83%、2.8%，明显减小。

4.2.TCR+FC系统在工业电网供电的ZJ50D电动钻机的应用

使用地点：中石化西南局四川钻井公司50103井队新21-4H井

总结 由于该TCR+FC无功补偿系统并接在高压房内2台10KV/0.6KV 1600KVA并联运行变压器的副边600V母排，因此变压器副边的电流值即为是接入无功补偿系统后电源系统出力电流，而SCR房进线窗口的电流值相当于去掉无功补偿系统后电源系统的出力电流。通过上面数据可看出，同样工况下，设备投入后，功率因数升高了0.41左右，总电流下降了1245A。

小结：通过以上不同工况不同时段的现场记录数据和电压波形来看，TCR+FC系统投入后，功率因数在0.94以上，且尖峰电压减少，电能质量明显得到改善。

5 结束语

无论从TCR+FC补偿方案的优越性，还是现场应用情况，该补偿方式特适合于钻机这种负荷变化快，谐波含量高的电动钻机，尤其是直流电动钻机，节能和减排效果十分明显。

参考文献：

[1]王兆安.杨君.刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿（第二版）[M]. 北京:机械工业出版社 2005

[2] 王向臣.电网无功补偿实用技术 [M]. 北京:中国水利水电出版社 2009

[3]吴竞昌.孙树勤.宋文南等.电力系统谐波 [M]. 北京:水利电力出版社 1988

[4]张奇志.杨新海等.电动钻机自动化技术 [M]. 北京：石油工业出版社 2006