基于LCL滤波器的静止无功发生器在钻井作业中的应用＊

彭 程，路文梅，李 燕，李文才，王希平，左仲善

（河北水利电力学院，河北沧州061000）

基于LCL滤波器的静止无功发生器在钻井作业中的应用＊

彭 程，路文梅，李 燕，李文才，王希平，左仲善

（河北水利电力学院，河北沧州061000）

针对钻井作业中电动钻机设备功率因数低、谐波含量大，易引起电压波动，井场设备可靠性降低的问题。研究了一种基于LCL滤波器的静止无功发生器（LCL－SVG），分析LCL－SVG的拓扑结构及基本原理，设计无功补偿容量及LCL滤波器参数。工程实践表明，该装置实现了对无功的动态补偿，提高了钻井平台电能质量的稳定性和设备利用率，减少了能源消耗及环境污染，降低了钻井成本，在石油及天然气钻井作业中具有较高的应用价值。

LCL滤波器；静止无功发生器；功率因数；电压波动；钻井作业

1 引言

钻井作业长期以柴油为动力，大负荷钻进时柴油消耗量巨大，从钻井作业开始至完工，温室气体排放量达千吨。与柴油机相比，电动机启停方便，运行平稳，井场噪声也明显下降。网电钻井技术先进可靠，设备调速性好，解决了泥浆泵调速问题，大大地减少柴油机油消耗、降低了成本、经济效益节能效果随钻井深度的增加而更加明显，电网供电钻井平台得到大范围推广［1］。然而由于钻井平台耗电量大，负荷重，需消耗大量无功功率［2－5］，从而导致功率因数低，同时大功率电机的启停也导致电压闪变及谐波［6］存在。电能质量低下，会使电气设备运行故障，生活用电异常，严重时可能引发井场事故的发生。本文结合钻井平台运行问题，分析了基于LCL滤波器型的静止无功补偿器（LCLSVG）进行实时跟踪无功补偿和谐波治理的工作原理，对LCL滤波器进行了设计，LCL－SVG投入运行后不同工况下钻井作业的电能质量均满足要求，节约了钻井成本，较少的环境污染，取得了较好的效果。

2 工作原理

基于LCL滤波器的静止无功发生器（LCL－SVG）采用三相电压型变流器，LCL－SVG电路拓扑结构如图1所示。

图1 LCL－SVG结构图

与传统SVG相比，LCL－SVG将单一L滤波改进为由变流器侧电感L1、电网侧电感L2及滤波电容C1共同滤波。变流器中IGBT功率器件开通关断过程中较大的di／dt产生谐波电流 ，C1为谐波提供低阻通路，使流过L1的高频开关纹波，经L2、C1后注入电网的谐波电流得以减少。为了防止LCL滤波电路产生谐振，在C1支路中增加阻尼电阻R，使固有频率偏移，有效地防止了谐振的产生。此外LCL滤波器缩小了电抗器的体积，提高了可靠性能。系统采用双PI控制，电压环维持直流侧电压平衡，电流环跟踪电流，调节功率开关器件的占空比，控制输出侧电压的相位及幅值，实现无功功率动态补偿控制。

LCL－SVG无功电流检测算法［7］原理如图2所示。

图2 无功电流检测原理图

该算法中要用到的与a相电网电压Ua同相位的正、余弦信号由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到，其中，，C23是C32的逆矩阵。经过C32、C两个矩阵可以计算出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，将无功电流iq经过C23、C的矩阵逆运算得到三相电流的无功分量iaq、ibq、icq，

式（1）为LCL－SVG所需补偿的无功电流分量。

3 装置容量及LCL参数设计

3．1 无功容量设计

钻井现场供电线路含有大量感性负载，无功功率增加，功率因数降低。钻井平台以功率因数为目标参数，计算无功容量，设钻井平台最大负荷日的平均有功功率为P（kW），补偿前后平均功率因数分别为cosα1、cosα2，则无功补偿容量可用下式计算：

根据钻机运行实际工况测试发现，70D钻机在钻进工况下的功率因数在0．4－0．6之间。取0．5，预期补偿后功率因数为0．95。经计算，现场实际钻机最大负荷的月平均有功功率为1．67MW，代入式（2）中，得出补偿无功功率为2．4Mvar。

3．2 LCL参数设计

LCL滤波器参数设计的优劣，直接影响SVG补偿效果，尤其是电感设计最为关键，应综合考虑电流纹波及压降损失。

变流器侧电感与网侧电感比值选取在3－7之间较合适［8］，本文取5。滤波电容的设计采用工程设计法，用选用滤波电容应满足以下要求：

本工程中由于单台容量设计限制，采用四台SVG并联运行，参数设计如下：其中阻尼电阻由24个500W 1Ω绕线电阻并联组成，以避免谐振。

4 工程现场

四川广元苍溪SVG网电系统配置在重钻70146队，将网侧10 kV高压用电缆接到井场，经变压器变换为600V电压，为直流电机、SVG等装置供电。系统如图3所示。

图3 网电钻井系统图

当网电故障或停运时，由柴油发电机组作为备用电源进行切换，保证钻井工作的正常进行。

4．1 工程装置及运行

电动钻机动力装置主要由联动机、传动机构、泥浆泵和绞车构成。由泥浆泵开启数量、钻井深度、绞车起钻下钻等值的不同，无功功率的需求也相应变化。钻井泵（型号：F－1600），最大功率1193kW，305mm冲程，额定冲数120t／min，两钻井泵工作于50冲和60冲状态，顶驱在8%额定功率下运行（顶驱最大可运行在额定功率的20%－30%）。钻机起下钻，空载与满载状态频繁更换，负荷突变导致闪变。4．2 LCL－SVG现场调试及启动

调试系统与控制器通讯，使软件工作于PWM测试状态，由示波器测试驱动板输出，用两个探头正负极分别接于IGBT驱动板门、射极，检测上下桥臂波形，查看死区，波形如图4所示。

图4 死区测试

电压相位校验，采集网侧A、B两相相位，将高压探头接于SVG输出A、B相（断路器断开），直流侧预充电完成后，断开预充电回路，使软件运行在直流调压状态。若同相位，如图5所示。重复上述方法，测试B、C相和C、A相相位。

图5 相位校准

SVG运行之前，确保保护定值及装置参数配置无误。依次启动风机、直流侧电压预充电、合主开关、合柜主开关、分交流预充电、直流调压、无功电流补偿、变流器启动。

图6所示为LCL－SVG监控系统电气主接线图，显示直流侧电压Udc、各支路电流Isvg、断路器开关状态、母线电压、有功功率P、无功功率Q及功率因数Pcos。

图6 监控系统电气主接线图

4．3 钻井作业关键工况

为减少闪变，泥浆泵检修更换或降低负荷时，首先降低泥浆泵泵冲，将运行在较大冲程的泥浆泵降至30冲负荷，系统侧电压升高，然后切断需检修的泥浆泵，启动未运行的泥浆泵，功率缓慢增加至30冲，此时两台泥浆泵恢复正常运行冲程。系统侧电压降低，电压波动范围578V－621V。钻井深度在约4136m时，钻机在钻进及划眼两种工况下运行情况记录见表1。

表1 电动钻机参数记录

提钻、下钻杆工况下，泥浆泵停止，两台绞车同时运行，单台最大功率800kW。绞车运行，负荷上升，电流由220A数秒内上升至540A（主要波动范围220A－350A），有功功率需求增加的同时，无功功率消耗同步增大，导致电压降低，由604V降为585V。

4．4 工程问题

由于重钻70146队在广元苍溪勘探钻井施工时处于弱电网，电网电压波动由9．8kV降至9．2kV，钻井工作时，需根据电压波动情况，人工调节有载调压变压器档位，使系统侧电压控制在合理范围内。这样不仅大大增加了电工的工作量，加大了对工作精度的要求，同时对司钻的操作精度更加苛刻，为两者的配合增加了巨大难度。

LCL－SVG不仅优化了传统SVG的滤波电路，而且在软件中增加滤波环节，可以调整系统参数，使得LCL－SVG运行更稳定，输出的谐波电流更低，为系统侧电压稳定提供支撑。工程中安装LCL－SVG，分别在柴油发电机组和电网两种供电方式下进行轻载试验，满足要求。电网重载试验时，LCL－SVG也能适应ZJ70D钻机各种工况的无功功率需求，系统稳定性好，电气设备无跳闸现象，电压波动在允许范围内。表2为电网供电时三种不同工况参数。

表2 三种工况稳定运行时参数记录

图4所示为LCL－SVG正常运行时录播文件波形，Udc1为直流侧电压，稳定在1050V左右，Ia1为输出的无功电流，Uab1为检测到的电网电压，录播表明系统电压稳定。

图4 LCL－SVG录波

柴油机稳定运行，效率固定，但非额定功率运行时效率降低。功率因数低，无功功率不足时，需增开直流电动钻机时间约为钻井周期的65%，钻井周期按8个月计算，即增开钻机时间为5．2个月。柴油机正常工作时耗油约47吨／月，空载运行耗油大约23吨／月，5．2个月至少需多耗油120吨。增加LCL－SVG后，可有效降低非额定运行油耗，减少运行机组台数，大大降低油耗，减少成本。

5 结束语

LCL－SVG在钻井平台的成功应用，使功率因数从原来约为0．4，提高到0．92以上，对因负荷波动较大所造成的电压波动也有较好的抑制作用。工程应用表明该装置不仅提高了电网的电能质量，而且降低了动力系统的能量损耗，减少了能源消耗及环境污染。为以后在钻井平台的推广提供参考。

［1］陈雪莲．钻井作业中网电钻井技术的优势及运用［J］．能源与节能，2015，4：108－109．

［2］张奇志，文接南，闫宏亮．钻机井场电网动态无功补偿控制器的研制［J］．电气应用，2013，32（7）：60－63．

［3］马西庚，赵大伟，柳 颖，等．钻机混合型静止无功补偿控制器的研制［J］．石油机械，2008，38（4）：19－22．

［4］许山明，张立佳．无功补偿技术在电动钻机上的应用［J］．电气传动自动化，2011，33（5）：22－30．

［5］王建军，王冬石，马 俊．海洋石油钴井平台电站无功补偿技术的应用探讨［J］．测控技术，2015，34（1）：150－156．［6］李 琳，申小会，闫宏亮．电动钻机的谐波治理及无功补偿方法研究［J］．电力电子技术，2010，42（2）：54－55．

［7］王兆安，杨 君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿［M］（第2版）．机械工业出版社，2005．

［8］夏正龙．LCL滤波器的链式STATCOM关键技术研究［D］．中国矿业大学博士论文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，硕士，研究方向为谐波抑制与无功补偿，新能源发电及电力电子技术应用。

2016－11－15