油田抽油機無功補償裝置的設計呂崇偉王毅（北京交通大學）TheDesignofReactivePowerCompensationforOil-filedMotorLVChong-wei,WANGYi(BeijingJiaotongUniversity)中圖分類號：TM47文獻標示碼：B摘要：油田抽油機為典型的感性負載，工作時負載變化大，需要進行無功補償。本文根據抽油機的工作狀況采用電容器和飽和電抗器為補償元件，以單片機為控制核心，實現簡單可靠的動態(tài)無功補償。關鍵詞：無功補償飽和電抗器單片機Abstract:Oil-filedmotoristypicalreactiveload,soitneedsreactivepowercompensation.Thispaperbasesontheworkconditionofoil-filedmotor,usescapacitorandsaturatedreactorascompensatingelements.ThecompensatoriscontrolledbySCMtorealizesimplecrediblydynamicreactivepowercompensation,Keywords:reactivepowercompensation,dynamiccompensation,SCM一引言無功補償并不是一個新的課題，但以往在我國的一些工業(yè)領域并不夠重視。隨著我國能源消耗量的不斷增大，節(jié)能和提高電能質量越來越受到關注，但是電力系統(tǒng)中大量的無功功率增加了設備和線路的損耗，增大線路及變壓器的電壓降，降低了供電質量。電力部門對低功率因數的罰款制度，在經濟上使得廣大用戶真正開始關心無功補償。以油田抽油機為例，未進行無功補償前罰款已占到了電費的大部分。可見無功補償能夠帶來巨大的經濟利益。油田抽油機的主要負載是變壓器和電動機，電動機以異步三相電機為主，都是感性負載，工作時吸收大量的感性無功。抽油機為滿足重載啟動的需要功率較大，正常工作之后往往處于輕載狀態(tài)，功率因數較低，最低可到0.2至0.3。在一個工作周期內負載變化大，要求補償裝置能夠快速連續(xù)補償。抽油機在野外工作，要求補償裝置簡單可靠，便于維護。幾種補償方案的比較：1投切電容器組：需要多組斷路器還要有防過壓裝置，頻繁的投切降低了斷路器的可靠性和使用壽命，且分組數量受限，補償時跳躍大難以達到理想效果。2固定電容加晶閘管控制電抗器（TCR）：晶閘管要承受工作電壓需要隔離，保護，冷卻裝置，而且控制系統(tǒng)比較復雜，總的來說成本較高，維護困難。另外TCR諧波含量較高，3，5，7次諧波分別達到13.78%，5.05%，2.59%。3全控型器件的靜止發(fā)生器（SVG），SVG具有一定的先進性，既可以補償無功，又可以抑制諧波，但其價格比較貴，很難大面積推廣。4固定電容器加飽和電抗器，通過比較結合抽油機實際工作情況，采用此種方式，其結構簡單損耗低，便于控制，可靠性高，適合用于抽油機的無功補償。[1]二補償裝置原理接線見圖1。固定電容器來補償感性無功，調節(jié)可控電抗器的電感量來改變整個裝置的補償容量。飽和電抗器是通過調節(jié)直流勵磁改變鐵心的磁導率進而改變電抗器的容量。當系統(tǒng)所需容性無功大于補償裝置的輸出時，將電抗器容量調小以增大裝置輸出的容性無功;反之則將電抗器容量調大以減小裝置輸出的容性無功，實現動態(tài)無功補償。電容器組還具有濾除諧波的作用。電抗器采用三角形聯接，起到抑制自身三次諧波的作用。圖1裝置接線圖電容器補償容量確定以抽油機在額定工況即最大負載時的無功功率為準，QC=QN。飽和電抗器額定容量取抽油機最大負載與最小負載即空載時無功功率之差QL=QN-Q0，也就是電抗器容量在QN和Q0之間調節(jié)。[1]三飽和電抗器工作原理飽和電抗器是利用鐵磁質磁化曲線的非線性和飽和特性，也就利用鐵磁質的磁導率不是常數這一特性而工作的其基本工作原理是用直流繞組電流的大小來改變交流電路的電抗。ψμSN2交流線圈電感量可以用下式表示L=，可知交流線圈的電感量在一定的磁路和=Il匝數下和磁路鐵心的磁導率成正比。改變磁導率就可以改變交流線圈的電感，從而改變電流和電抗器的容量[2][3]。312II'BmsinωtBωt3'12'H(I)Bmt圖2飽和電抗器結構圖3飽和電抗器BH變化曲線圖2是飽和電抗器結構示意圖，1、2是交流輸入端，3、4是直流控制輸入端。在實際應用中交直流繞組往往引出一些抽頭以滿足不同的需求。圖3是飽和電抗器的BH變化曲線。曲線3和4分別是左右兩個鐵心中磁感應強度B隨時間變化的曲線，3和4分別為其對應的磁場強度H（也反映為電流）變化曲線。飽和電抗器從電源取用的電流為兩并聯交流線圈電流之和，因此由曲線3和4相加得曲線5，該曲線按一定的比例可以表示為電抗器從電源取用的電流。2和2是無直流激磁下的BH變化曲線，可以看出在同一交變磁場下，當恒定磁場存在時，從電源取用的電流值有顯著增加，實現了直流控制交流的作用。''''''四無功功率的檢測由于抽油機工作環(huán)境比較差，干擾較多，采取檢測檢測電壓電流過零點計算功率因數的檢測方法會由于電壓電流信號過零點受干擾不易測定而影響檢測結果。因此采取了另外一種無功功率檢測方法[4]。抽油機為三相對稱負載，Pbc=Ubc?Ia?sin?，功率因數cos?=三相視在功率S=bcIa，三相有功功率為P=S?cos?=三相無功功率為Q=bcIa=bc可見檢測任一線電壓和另一個相電流就可測得三相無功功率，作為控制系統(tǒng)的補償依據?？赏ㄟ^單片機在一個周期內對ubc和ia進行N次采樣對采樣值進行離散積分運算可得：Ubc=Ia=1NPubc.k?ia,k∑bc=Nk=1五控制系統(tǒng)1硬件單片機采用C8051F000，其內部有一個12位AD轉換器，由于無法測量負值，要對電壓傳感器和電流傳感器的轉換信號進行抬升。單片機內部有2.4V的電壓基準，所以要對信號抬升1.2V。系統(tǒng)經過對電壓電流信號的檢測并計算出無功功率作為補償的依據，將對電抗器的控制信號通過單片機內部的DA轉換器轉換成模擬電壓信號輸出，由功放電路來控制電抗器直流繞組的電流，從而起到控制電抗器輸出容量的作用。同步電壓信號的作用是為檢測程序提供開始信號，并為定時器中斷對時。圖4硬件原理框圖2軟件控制系統(tǒng)的軟件也就是程序，分為采樣，數據處理，輸出等幾部分。采樣就是獲得一個周期內電壓電流的離散值。數據處理包括對電壓電流值的積分，得到無功功率，電壓電流有效值，功率因數等，判斷是否過壓欠壓，得出控制量。輸出包括各種參數的輸出和控制量的輸出。圖5程序流程圖六實驗與仿真首先對飽和電抗器的一些性質進行實驗檢測，得出飽和電抗器的一些特性如下：控制特性即控制電流與輸出容量的關系在額定容量范圍內基本為線性。伏安特性曲線（電壓-電流特性）為非線性，故應注意電感電容的參數選擇以免發(fā)生震蕩。輸出電流的諧波以3，5，7次為主，額定容量時3，5，7次諧波與基波電流之比分別為3.04%，1.30%，0.11%，非額定時諧波含量會有所增大，但采用三角形連接會減小諧波向電網的注入，必要時還可由補償電容器串聯電抗組成LC濾波器。此外飽和電抗器一般在設計時飽和度留有裕量，使得額定工作時電抗器也未達到完全飽和，這樣雖在體積上稍大，可以相對減少單位體積的鐵損增大散熱面積，降低溫升，更重要的是使得飽和電抗器具有一定的限制操作過電壓的性能。電抗器的損耗包括線圈的銅損和鐵心的鐵損，1kvar額定容量電抗器實際損耗不超過4%。圖6為電抗器實測電流波形。圖6左為0.5倍額定容量時電流波形，右為額定容量時電流波形利用MATLAB/Simulink對補償裝置進行仿真，負載為變壓器和三相異步電動機。圖7為輕載時補償前和補償后的相電壓及相電流波形圖，可見加補償裝置后功率因數接近1。HYPERLINK"/retype/zoom/d3d736e94afe04a1b071dea4?pn=5&x=0&y=0&raww=716&rawh=430&o=png_6_0_0_135_109_283_207_892.979_1