于 浩

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司采辦部，黑龍江 大慶 163311）

0 引言

潛油電泵機(jī)組是一種非常重要的機(jī)械采油設(shè)備，在大慶油田約有電泵井1 500口，占機(jī)械采油井總數(shù)的5%，產(chǎn)液量占總產(chǎn)液量的20%～30%。潛油電泵機(jī)組具有排量范圍大、采油速度快、檢泵周期長、自動(dòng)化控制程度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也是油田主要的能耗設(shè)備之一。機(jī)組配套的潛油電機(jī)一般為三相鼠籠型異步感應(yīng)電機(jī)，實(shí)際使用中功率因數(shù)大多在0.7～0.75之間，功率因數(shù)偏低，無功功率消耗大。為了降低電泵機(jī)組消耗的無功功率，提高潛油電泵系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低線損，達(dá)到節(jié)能的目的，對潛油電泵機(jī)組進(jìn)行末端無功補(bǔ)償是一種很實(shí)用的方式，因此對潛油電泵機(jī)組的無功補(bǔ)償方法進(jìn)行研究是很有必要的。

目前應(yīng)用于潛油電泵機(jī)組末端無功補(bǔ)償?shù)姆绞街饕蔷чl管投切容器（Thyristor switched container，TSC）型。這種無功補(bǔ)償方式是將大容量的無功補(bǔ)償電容器組安放于電泵機(jī)組的地面控制柜中，通過檢測機(jī)組的無功電流或功率因數(shù)由中心控制器控制電容器組的投切，晶閘管起到交流開關(guān)的作用，由于TSC需要多組補(bǔ)償電容器，設(shè)備的體積較大，并且需要選擇在晶閘管兩端電壓為零的時(shí)刻對電容器組進(jìn)行投切控制，主電路的硬件結(jié)構(gòu)和控制算法都較為復(fù)雜，限制了這種無功補(bǔ)償方式的推廣應(yīng)用。而靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM），采用自換相變流的橋式逆變電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無功功率補(bǔ)償，所用電容元件小，它既能發(fā)出無功功率，又能吸收無功功率，比TSC的調(diào)節(jié)速度更快、運(yùn)行范圍更寬，裝置體積相對較小，綜合考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性，這種無功補(bǔ)償方式更適用于潛油電泵機(jī)組，是潛油電泵機(jī)組無功補(bǔ)償技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)幕驹?/h2>

圖1 靜止同步補(bǔ)償器的基本結(jié)構(gòu)

靜止同步補(bǔ)償器基本工作原理是將采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等全控開

關(guān)器件組成的逆變電路并聯(lián)在電網(wǎng)上。直流側(cè)電容器用以維持直流電壓，連接電抗器用來濾除高次諧波，逆變電路可視為電壓源型逆變器（VSI），靜止同步補(bǔ)償器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)考慮到連接電抗器和逆變器自身的損耗時(shí)，將總損耗看作連接電抗器的等值電阻R，其工作相量圖如圖2所示。其中V˙S為系統(tǒng)母線相電壓，V˙STATCOM為靜止同步補(bǔ)償器交流側(cè)相電壓基波分量，R為連接電抗器的等值電阻，X為連接電抗器的電抗，δ角為系統(tǒng)電壓V˙S與變流器電壓V˙STATCOM的相角差。改變δ與V˙STATCOM幅值的大小，就可以控制輸出電流I˙的大小與相位，從而控制STATCOM 向電網(wǎng)發(fā)出容性無功或是感性無功。

圖2 靜止同步補(bǔ)償器的工作相量圖

對于潛油電泵機(jī)組，連接電抗器和逆變器自身的損耗值非常小，可近似認(rèn)為R=0，連接電抗器等值阻抗為jX，則V˙STATCOM與V˙S相位相同，相位差 δ=0。通過控制裝置交流側(cè)相電壓V˙STATCOM的大小就可連續(xù)發(fā)出容性無功或是感性無功，也可直接控制交流側(cè)電流。根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律可推得STATCOM向電網(wǎng)輸出無功功率的公式為：當(dāng)Q＞0時(shí)STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率，Q＜0時(shí)STATCOM向系統(tǒng)發(fā)出感性無功功率。

2 基于前饋補(bǔ)償PI的改進(jìn)型電流直接控制算法

根據(jù)裝置的交流側(cè)是否對輸出電流直接進(jìn)行控制，可將基本的控制策略分為電流間接控制和電流直接控制兩大類。由于潛油電機(jī)的功率一般在幾十到幾百千瓦，所需STATCOM容量不是很大，故更適用于電流直接控制算法，采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)對電流波形瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制。普通的電流直接控制算法采用內(nèi)外環(huán)反饋PI控制，這種算法的抗干擾能力一般，PI參數(shù)不能自適應(yīng)調(diào)整。為進(jìn)一步提高無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性能，本文根據(jù)前饋控制的思想，改進(jìn)了電流直接控制算法，引入前饋控制環(huán)節(jié)，對電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償，以提高STATCOM對無功電流的跟蹤性能。圖3所示為前饋PI控制結(jié)構(gòu)，圖4所示為基于前饋補(bǔ)償PI改進(jìn)型電流直接控制算法原理圖。

圖3 前饋PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 靜止同步補(bǔ)償器的前饋PI改進(jìn)型電流直接控制算法原理圖

其中，IQref為所需補(bǔ)償?shù)臒o功電流參考值，IPref為裝置所需有功電流參考值，雙環(huán)結(jié)構(gòu)中內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為直流側(cè)電壓控制環(huán)。Id和Iq為靜止同步補(bǔ)償器交流側(cè)輸出三相瞬時(shí)電流ia、ib、ic的直軸分量與交軸分量，ud和uq為靜止同步補(bǔ)償?shù)慕涣鱾?cè)電壓直軸與交軸分量。

外環(huán)經(jīng)直流側(cè)電壓比較和PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生IPref，由于電壓控制外環(huán)響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于電流環(huán)響應(yīng)速度，所以對外環(huán)采用常規(guī)PI控制策略。IQref取反后得到-IQref，將Id和Iq分別與IPref和IQref進(jìn)行比較后進(jìn)行PI參數(shù)調(diào)節(jié)器的前饋補(bǔ)償?shù)玫絬d和uq。經(jīng)dq-abc坐標(biāo)變換為三相交流調(diào)制信號送入到脈寬調(diào)制（PWM）電路，經(jīng)比較三角載波信號后得到觸發(fā)脈沖。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的控制算法的正確性，利用的MATLAB軟件，搭建了前饋PI改進(jìn)型電流直接控制算法的仿真模型，得到了前饋補(bǔ)償PI的正弦跟蹤和前饋補(bǔ)償PI的正弦跟蹤誤差的波形圖，分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見，通過前饋補(bǔ)償，可以更好地調(diào)節(jié)PI參數(shù)，從而保證STATCOM的無功跟蹤性能。

圖5 前饋補(bǔ)償PI的正弦跟蹤

圖6 前饋補(bǔ)償PI的正弦跟蹤誤差

圖7 STATCOM補(bǔ)償前電網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流

圖8 經(jīng)STATCOM補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)A相電壓與電流波形

由于潛油電機(jī)為感性負(fù)載，為驗(yàn)證本文所研究的STATCOM對負(fù)載無功的補(bǔ)償能力，通過MATLAB/SIMULINK軟件包搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，以電網(wǎng)側(cè)A相為例進(jìn)行分析。仿真算例所選潛油電機(jī)額定功率為40kW，額定電壓810 V，額定電流45 A，取STATCOM直流側(cè)電壓Udc=1100 V，連結(jié)阻抗 R=1.2 Ω，L=7.5 mH。仿真時(shí)間0.2 s，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7所示為未投入STATCOM進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，電網(wǎng)側(cè)A相的電壓電流波形。由圖可見，A 相電流I˙sa滯后于 A 相電壓U˙sa，電網(wǎng)存在感性無功電流。圖8所示為經(jīng)STATCOM補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)A相輸出的電壓與電流波形，可見大約經(jīng)過1個(gè)周波（0.02 s）之后，電網(wǎng)側(cè)電壓U˙sa與電流I˙sa變?yōu)橥辔?，STATCOM投入后對潛油電機(jī)的感性無功進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于前饋補(bǔ)償PI的改進(jìn)型電流直接控制算法，該算法適用于對潛油電泵機(jī)組進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)撵o止同步補(bǔ)償器（STATCOM）的控制，經(jīng)仿真表明，采用該算法可以很好地實(shí)現(xiàn)對潛油電泵機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。該控制算法易于硬件實(shí)現(xiàn)，研究結(jié)果為進(jìn)一步研制高性能的潛油電泵機(jī)組靜止同步補(bǔ)償裝置提供了有效的參考依據(jù)。

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