潜油电泵机组静止同步补偿器控制算法研究

于 浩

（大庆油田力神泵业有限公司采办部，黑龙江 大庆 163311）

0 引言

潜油电泵机组是一种非常重要的机械采油设备，在大庆油田约有电泵井1 500口，占机械采油井总数的5%，产液量占总产液量的20%～30%。潜油电泵机组具有排量范围大、采油速度快、检泵周期长、自动化控制程度高、操作简便等优点，但同时也是油田主要的能耗设备之一。机组配套的潜油电机一般为三相鼠笼型异步感应电机，实际使用中功率因数大多在0.7～0.75之间，功率因数偏低，无功功率消耗大。为了降低电泵机组消耗的无功功率，提高潜油电泵系统的功率因数，降低线损，达到节能的目的，对潜油电泵机组进行末端无功补偿是一种很实用的方式，因此对潜油电泵机组的无功补偿方法进行研究是很有必要的。

目前应用于潜油电泵机组末端无功补偿的方式主要是晶闸管投切容器（Thyristor switched container，TSC）型。这种无功补偿方式是将大容量的无功补偿电容器组安放于电泵机组的地面控制柜中，通过检测机组的无功电流或功率因数由中心控制器控制电容器组的投切，晶闸管起到交流开关的作用，由于TSC需要多组补偿电容器，设备的体积较大，并且需要选择在晶闸管两端电压为零的时刻对电容器组进行投切控制，主电路的硬件结构和控制算法都较为复杂，限制了这种无功补偿方式的推广应用。而静止同步补偿器（STATCOM），采用自换相变流的桥式逆变电路进行动态的无功功率补偿，所用电容元件小，它既能发出无功功率，又能吸收无功功率，比TSC的调节速度更快、运行范围更宽，装置体积相对较小，综合考虑系统的复杂性和经济性，这种无功补偿方式更适用于潜油电泵机组，是潜油电泵机组无功补偿技术的重要发展方向。

1 静止同步补偿器进行无功补偿的基本原理

图1 静止同步补偿器的基本结构

静止同步补偿器基本工作原理是将采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）等全控开

关器件组成的逆变电路并联在电网上。直流侧电容器用以维持直流电压，连接电抗器用来滤除高次谐波，逆变电路可视为电压源型逆变器（VSI），静止同步补偿器基本结构如图1所示。

当考虑到连接电抗器和逆变器自身的损耗时，将总损耗看作连接电抗器的等值电阻R，其工作相量图如图2所示。其中V˙S为系统母线相电压，V˙STATCOM为静止同步补偿器交流侧相电压基波分量，R为连接电抗器的等值电阻，X为连接电抗器的电抗，δ角为系统电压V˙S与变流器电压V˙STATCOM的相角差。改变δ与V˙STATCOM幅值的大小，就可以控制输出电流I˙的大小与相位，从而控制STATCOM 向电网发出容性无功或是感性无功。

图2 静止同步补偿器的工作相量图

对于潜油电泵机组，连接电抗器和逆变器自身的损耗值非常小，可近似认为R=0，连接电抗器等值阻抗为jX，则V˙STATCOM与V˙S相位相同，相位差 δ=0。通过控制装置交流侧相电压V˙STATCOM的大小就可连续发出容性无功或是感性无功，也可直接控制交流侧电流。根据基尔霍夫电压电流定律可推得STATCOM向电网输出无功功率的公式为：当Q＞0时STATCOM向系统发出容性无功功率，Q＜0时STATCOM向系统发出感性无功功率。

2 基于前馈补偿PI的改进型电流直接控制算法

根据装置的交流侧是否对输出电流直接进行控制，可将基本的控制策略分为电流间接控制和电流直接控制两大类。由于潜油电机的功率一般在几十到几百千瓦，所需STATCOM容量不是很大，故更适用于电流直接控制算法，采用正弦脉宽调制技术对电流波形瞬时值进行反馈控制。普通的电流直接控制算法采用内外环反馈PI控制，这种算法的抗干扰能力一般，PI参数不能自适应调整。为进一步提高无功补偿的动态性能，本文根据前馈控制的思想，改进了电流直接控制算法，引入前馈控制环节，对电流内环的PI参数设计了前馈补偿，以提高STATCOM对无功电流的跟踪性能。图3所示为前馈PI控制结构，图4所示为基于前馈补偿PI改进型电流直接控制算法原理图。

图3 前馈PI控制系统结构

图4 静止同步补偿器的前馈PI改进型电流直接控制算法原理图

其中，IQref为所需补偿的无功电流参考值，IPref为装置所需有功电流参考值，双环结构中内环为电流控制环，外环为直流侧电压控制环。Id和Iq为静止同步补偿器交流侧输出三相瞬时电流ia、ib、ic的直轴分量与交轴分量，ud和uq为静止同步补偿的交流侧电压直轴与交轴分量。

外环经直流侧电压比较和PI调节后产生IPref，由于电压控制外环响应速度远低于电流环响应速度，所以对外环采用常规PI控制策略。IQref取反后得到-IQref，将Id和Iq分别与IPref和IQref进行比较后进行PI参数调节器的前馈补偿得到ud和uq。经dq-abc坐标变换为三相交流调制信号送入到脉宽调制（PWM）电路，经比较三角载波信号后得到触发脉冲。

3 仿真验证

为验证本文所提出的控制算法的正确性，利用的MATLAB软件，搭建了前馈PI改进型电流直接控制算法的仿真模型，得到了前馈补偿PI的正弦跟踪和前馈补偿PI的正弦跟踪误差的波形图，分别如图5和图6所示。

由图5和图6可见，通过前馈补偿，可以更好地调节PI参数，从而保证STATCOM的无功跟踪性能。

图5 前馈补偿PI的正弦跟踪

图6 前馈补偿PI的正弦跟踪误差

图7 STATCOM补偿前电网侧A相电压和电流

图8 经STATCOM补偿后电网侧A相电压与电流波形

由于潜油电机为感性负载，为验证本文所研究的STATCOM对负载无功的补偿能力，通过MATLAB/SIMULINK软件包搭建系统模型进行仿真，以电网侧A相为例进行分析。仿真算例所选潜油电机额定功率为40kW，额定电压810 V，额定电流45 A，取STATCOM直流侧电压Udc=1100 V，连结阻抗 R=1.2 Ω，L=7.5 mH。仿真时间0.2 s，仿真结果如图7和图8所示。

图7所示为未投入STATCOM进行无功补偿时，电网侧A相的电压电流波形。由图可见，A 相电流I˙sa滞后于 A 相电压U˙sa，电网存在感性无功电流。图8所示为经STATCOM补偿后电网侧A相输出的电压与电流波形，可见大约经过1个周波（0.02 s）之后，电网侧电压U˙sa与电流I˙sa变为同相位，STATCOM投入后对潜油电机的感性无功进行了动态的补偿。

4 结语

本文提出了一种基于前馈补偿PI的改进型电流直接控制算法，该算法适用于对潜油电泵机组进行无功补偿的静止同步补偿器（STATCOM）的控制，经仿真表明，采用该算法可以很好地实现对潜油电泵机组的动态无功补偿。该控制算法易于硬件实现，研究结果为进一步研制高性能的潜油电泵机组静止同步补偿装置提供了有效的参考依据。

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