NPC三电平调压保护控制装置在油田的应用

韩飞（大庆石油管理局技术监督中心）

油田抽油机由于特殊的工作性质、复杂的井下工况，以及载荷的无规律变化，是造成电动机故障的主要原因。NPC三电平调压保护控制装置通过对三电平的监测控制，实现负载发生变化时，预先完成输出电压和功率设定，实时满足电动机需要的输入电压和功率，达到节能预警和瞬时响应保护电动机的目的；同时具备有功节电、无功节电、变频调参、工况预判和保护电动机的功能，可靠性和稳定性均有极大提升[1]。

变频器由整流器、电容器、逆变器和制动单元等组成。其中逆变器是变频器技术的核心，所以逆变器的安全稳定运行直接反映出变频器优劣。

1 技术现状

目前提高多电平逆变器的可靠性主要通过以下方法：

1）逆变器的并联运行。采用2 个或多个逆变器并联运行，不仅可以有效增加系统的可靠性，而且可以增大逆变器的容量，减小输出电流谐波。但该方法造成系统的结构非常复杂，控制比较困难，并且存在环流和均流问题，实际应用范围较小。

2）逆变器采用模块化结构。逆变器的每个桥臂都采用模块化设计，每个模块都设计成方便拆卸和安装的形式。当逆变器的某一器件发生故障时，直接更换整个模块，在最短的时间内恢复逆变系统的运行。此方法尽管有效地缩短了系统的故障时间，但一旦发生故障仍必须紧急停机，不能考虑所驱动设备的实际运行要求，并且要预留充足的备用模块。

3）逆变器硬件拓扑采用冗余结构。借鉴目前电力电子领域正在研究的三相四桥臂逆变器拓扑结构，系统另外设计附加的1个桥臂。当逆变器的某一器件发生故障时，控制系统通过附加的桥臂继续维持系统的运行，直到设备允许停机时维修损坏器件。此方法可以做到系统的连续稳定运行，缺点是系统的结构和控制方法复杂，系统的硬件成本增大。

以上方法都是从系统的硬件及拓扑结构方面来提高逆变器的运行可靠性，没有充分利用多电平逆变器本身具有的软件控制方法上的冗余特性，并且成本较高，运行安全隐患多，可靠性较低[2-3]。

2 NPC三电平调压保护控制装置原理

NPC三电平调压保护控制装置使用一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法，利用NPC三电平逆变器空间电压矢量的冗余特性，通过软件方法实现NPC三电平逆变器在故障情况下继续运行；根据负载变化实时调整输出电压，并可根据需要自动/手动设定输出频率，从而实现抽油机生产的闭环控制，在不增加系统硬件成本的基础上，有效地保护电动机，提高系统的可靠性。图1为NPC三电平调压保护控制装置原理，其特点如下：

1）实时对逆变器各种器件故障进行检测，确定故障的位置及类型，形成与故障类型和位置对应的故障码。

2）按照不同的故障码确定不同故障状态下损失的电压矢量，绘出故障状态的空间电压矢量分布图。

3）分析此故障状态下逆变器是否能够继续运行，即是否还能合成旋转参考空间电压矢量。

4）分析此故障状态下逆变器是否需要降级运行，即计算合成的旋转参考电压矢量的最大幅值，是否依然能够形成长电压矢量构成的正六边形内切圆。

5）对于能够继续运行的状态，采用SVPWM方法进行合成矢量的选择，各矢量作用时间的计算及各矢量切换顺序的优化。

图1 NPC三电平调压保护控制装置原理

2.1 NPC三电平逆变器A相故障损失O状态

图2 是NPC 三电平逆变器A 相故障损失O 状态时空间电压矢量分布。当A相开关管发生下列四种故障之一时A 相损失O 状态： S1短路、 S2短路、D1开路、 D2开路。A 相损失O 状态后损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 。该种状态合成参考空间电压矢量时，损失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；当参考空间电压矢量位于第二和第五扇区时，损失的中矢量没有冗余矢量，此时使用零矢量和两个大矢量来合成参考空间电压矢量，可合成参考空间电压矢量的幅度与正常状态相同，逆变器仍可原级运行。

2.2 NPC三电平逆变器A相故障损失P状态

图3 是NPC 三电平逆变器A 相故障损失P 状态时空间电压矢量分布。当A相开关管发生下列四种故障之一时A 相损失P 状态： S1开路、 S3短路、D1开路。A相损失P状态后损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）。该种状态合成参考空间电压矢量时，损失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；当参考空间电压矢量位于第一和第六扇区时，损失的中矢量没有冗余矢量；位于第一、第二、第五和第六扇区时，损失的大矢量没有冗余矢量，此时整个周期都利用零矢量和小矢量来合成参考空间电压矢量，可合成参考空间电压矢量的幅度减小为原来的1/2，逆变器降级运行。

图2 A相故障损失O状态

图3 A相故障损失P状态

2.3 NPC三电平逆变器A相故障损失N状态

图4 是NPC 三电平逆变器A 相故障损失N 状态时空间电压矢量分布。当A相开关管发生下列三种故障之一时A 相损失N 状态： S2短路、 D2短路、S4开路。A相损失N状态后损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）。该种状态合成参考空间电压矢量时，损失的零矢量和小矢量由冗余矢量代替；当参考空间电压矢量位于第三和第四扇区时，损失的中矢量没有冗余矢量；位于第二、第三、第四和第五扇区时，损失的大矢量没有冗余矢量，此时整个周期都利用零矢量和小矢量来合成参考空间电压矢量，可合成参考空间电压矢量的幅度减小为原来的1/2，逆变器降级运行[4-5]。

图4 A相故障损失N状态

3 应用效果

在油田某采油厂对1台安装了NPC三电平调压保护控制装置的抽油机进行了现场测试。通过使用NPC 三电平调压保护控制装置进行前后对比测试，1台抽油机安装前功率因数为0.737 0，安装后功率因数为0.850 8。

通过前后对比测试节能效果（表1）如下：

表1 使用NPC三电平调压保护控制装置前后对比测试节能效果

节能率为4.87%；该设备的年节电量按300 天计算，年节电量为1 850.4 kWh。

4 结论

通过对抽油机井应用NPC三电平调压保护控制装置前后对比测试，结论如下：

1）有零速转矩保持功能。

2）低速转距矢量环的调节增加了电动机的低速转矩相应。

3）控制方便，可在本地和远程之间控制切换，同时也可以切换工频运行和变频控制运行。

4）有快速限流功能，保证系统的正常运行。

5）有良好的保护功能，可以实现对抽油机电动机的过载、过流保护，抽油杆断裂保护等，确保抽油机的安全运行。

6）可以有效提高节能率，节能效果显著。