油田抽油机无功补偿装置的设计吕崇伟王毅(北京交通大学)TheDesignofReactivePowerCompensationforOil-filedMotorLVChong-wei,WANGYi(BeijingJiaotongUniversity)中图分类号:TM47文献标示码:B摘要:油田抽油机为典型的感性负载,工作时负载变化大,需要进行无功补偿。本文根据抽油机的工作状况采用电容器和饱和电抗器为补偿元件,以单片机为控制核心,实现简单可靠的动态无功补偿。关键词:无功补偿饱和电抗器单片机Abstract:Oil-filedmotoristypicalreactiveload,soitneedsreactivepowercompensation.Thispaperbasesontheworkconditionofoil-filedmotor,usescapacitorandsaturatedreactorascompensatingelements.ThecompensatoriscontrolledbySCMtorealizesimplecrediblydynamicreactivepowercompensation,Keywords:reactivepowercompensation,dynamiccompensation,SCM一引言无功补偿并不是一个新的课题,但以往在我国的一些工业领域并不够重视。随着我国能源消耗量的不断增大,节能和提高电能质量越来越受到关注,但是电力系统中大量的无功功率增加了设备和线路的损耗,增大线路及变压器的电压降,降低了供电质量。电力部门对低功率因数的罚款制度,在经济上使得广大用户真正开始关心无功补偿。以油田抽油机为例,未进行无功补偿前罚款已占到了电费的大部分。可见无功补偿能够带来巨大的经济利益。油田抽油机的主要负载是变压器和电动机,电动机以异步三相电机为主,都是感性负载,工作时吸收大量的感性无功。抽油机为满足重载启动的需要功率较大,正常工作之后往往处于轻载状态,功率因数较低,最低可到0.2至0.3。在一个工作周期内负载变化大,要求补偿装置能够快速连续补偿。抽油机在野外工作,要求补偿装置简单可靠,便于维护。几种补偿方案的比较:1投切电容器组:需要多组断路器还要有防过压装置,频繁的投切降低了断路器的可靠性和使用寿命,且分组数量受限,补偿时跳跃大难以达到理想效果。2固定电容加晶闸管控制电抗器(TCR):晶闸管要承受工作电压需要隔离,保护,冷却装置,而且控制系统比较复杂,总的来说成本较高,维护困难。另外TCR谐波含量较高,3,5,7次谐波分别达到13.78%,5.05%,2.59%。3全控型器件的静止发生器(SVG),SVG具有一定的先进性,既可以补偿无功,又可以抑制谐波,但其价格比较贵,很难大面积推广。4固定电容器加饱和电抗器,通过比较结合抽油机实际工作情况,采用此种方式,其结构简单损耗低,便于控制,可靠性高,适合用于抽油机的无功补偿。[1]二补偿装置原理接线见图1。固定电容器来补偿感性无功,调节可控电抗器的电感量来改变整个装置的补偿容量。饱和电抗器是通过调节直流励磁改变铁心的磁导率进而改变电抗器的容量。当系统所需容性无功大于补偿装置的输出时,将电抗器容量调小以增大装置输出的容性无功;反之则将电抗器容量调大以减小装置输出的容性无功,实现动态无功补偿。电容器组还具有滤除谐波的作用。电抗器采用三角形联接,起到抑制自身三次谐波的作用。ACACAC图1装置接线图电容器补偿容量确定以抽油机在额定工况即最大负载时的无功功率为准,CNQQ。饱和电抗器额定容量取抽油机最大负载与最小负载即空载时无功功率之差0LNQQQ,也就是电抗器容量在NQ和0Q之间调节。[1]三饱和电抗器工作原理饱和电抗器是利用铁磁质磁化曲线的非线性和饱和特性,也就利用铁磁质的磁导率不是常数这一特性而工作的其基本工作原理是用直流绕组电流的大小来改变交流电路的电抗。交流线圈电感量可以用下式表示2SNLIl,可知交流线圈的电感量在一定的磁路和匝数下和磁路铁心的磁导率成正比。改变磁导率就可以改变交流线圈的电感,从而改变电流和电抗器的容量[2][3]。1234II1B2'23'34'45sinmBtttt0BsinmBtttH()HI图2饱和电抗器结构图3饱和电抗器BH变化曲线图2是饱和电抗器结构示意图,1、2是交流输入端,3、4是直流控制输入端。在实际应用中交直流绕组往往引出一些抽头以满足不同的需求。图3是饱和电抗器的BH变化曲线。曲线3和4分别是左右两个铁心中磁感应强度B随时间变化的曲线,'3和'4分别为其对应的磁场强度H(也反映为电流)变化曲线。饱和电抗器从电源取用的电流为两并联交流线圈电流之和,因此由曲线'3和'4相加得曲线'5,该曲线按一定的比例可以表示为电抗器从电源取用的电流。2和'2是无直流激磁下的BH变化曲线,可以看出在同一交变磁场下,当恒定磁场存在时,从电源取用的电流值有显著增加,实现了直流控制交流的作用。四无功功率的检测由于抽油机工作环境比较差,干扰较多,采取检测检测电压电流过零点计算功率因数的检测方法会由于电压电流信号过零点受干扰不易测定而影响检测结果。因此采取了另外一种无功功率检测方法[4]。抽油机为三相对称负载,sinbcbcaPUI,功率因数2cos1(//)bcbcaPUI三相视在功率3bcaSUI,三相有功功率为2cos31(//)bcabcbcaPSUIPUI三相无功功率为223bcQSPP可见检测任一线电压和另一个相电流就可测得三相无功功率,作为控制系统的补偿依据。可通过单片机在一个周期内对bcu和ai进行N次采样对采样值进行离散积分运算可得:2.11NbcbckkUuN2.11NaakkIiN.,11NbcbckakkPuiN五控制系统1硬件单片机采用C8051F000,其内部有一个12位AD转换器,由于无法测量负值,要对电压传感器和电流传感器的转换信号进行抬升。单片机内部有2.4V的电压基准,所以要对信号抬升1.2V。系统经过对电压电流信号的检测并计算出无功功率作为补偿的依据,将对电抗器的控制信号通过单片机内部的DA转换器转换成模拟电压信号输出,由功放电路来控制电抗器直流绕组的电流,从而起到控制电抗器输出容量的作用。同步电压信号的作用是为检测程序提供开始信号,并为定时器中断对时。电压互感器电流互感器升压电路升压电路滤波滤波单片机输出控制信号参数显示输出同步电压信号功率放大电抗器图4硬件原理框图2软件控制系统的软件也就是程序,分为采样,数据处理,输出等几部分。采样就是获得一个周期内电压电流的离散值。数据处理包括对电压电流值的积分,得到无功功率,电压电流有效值,功率因数等,判断是否过压欠压,得出控制量。输出包括各种参数的输出和控制量的输出。初始化开始信号检测数据处理参数输出判断电压是否正常输出控制信号切除补偿器是否图5程序流程图六实验与仿真首先对饱和电抗器的一些性质进行实验检测,得出饱和电抗器的一些特性如下:控制特性即控制电流与输出容量的关系在额定容量范围内基本为线性。伏安特性曲线(电压-电流特性)为非线性,故应注意电感电容的参数选择以免发生震荡。输出电流的谐波以3,5,7次为主,额定容量时3,5,7次谐波与基波电流之比分别为3.04%,1.30%,0.11%,非额定时谐波含量会有所增大,但采用三角形连接会减小谐波向电网的注入,必要时还可由补偿电容器串联电抗组成LC滤波器。此外饱和电抗器一般在设计时饱和度留有裕量,使得额定工作时电抗器也未达到完全饱和,这样虽在体积上稍大,可以相对减少单位体积的铁损增大散热面积,降低温升,更重要的是使得饱和电抗器具有一定的限制操作过电压的性能。电抗器的损耗包括线圈的铜损和铁心的铁损,1kvar额定容量电抗器实际损耗不超过4%。图6为电抗器实测电流波形。图6左为0.5倍额定容量时电流波形,右为额定容量时电流波形利用MATLAB/Simulink对补偿装置进行仿真,负载为变压器和三相异步电动机。图7为轻载时补偿前和补偿后的相电压及相电流波形图,可见加补偿装置后功率因数接近1。图7左为补偿前相电压和相电流,右为补偿后相电压和相电流波形七小结本文通过比较几种不同的补偿方案选择出适合抽油机的无功补偿装置,以固定电容器和饱和电抗器为补偿元件,以单片机为控制核心实现补偿。在设计中并没有一味采用新技术新成果而是在用现有技术简化设计,使装置更可靠,适应抽油机的工作环境。总的来看能够满足抽油机无功补偿的要求。参考文献1王兆安杨军刘进军谐波抑制和无功功率补偿机械工业出版社20012陈柏超新型可控饱和电抗器理论及应用武汉水利电力大学出版社19993徐武安电感器件设计与计算四川科学技术出版社19854黄绍平彭晓电网无功量的微机检测电力系统及其自动化学报第16卷第1期11-13