Активные системы коррекции формы кривых тока и напряжения в сетях нефтепромыслов

На правах рукописи

СЫЧЕВ Юрий Анатольевич

АКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ КОРРЕКЦИИ ФОРМЫ КРИВЫХ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Дмитриев Борис Федорович

кандидат технических наук

Хачатурян Валерий Аркадьевич

Ведущее предприятие: ООО «ЮНГ-Энергонефть»

Защита диссертации состоится 19 мая 2010 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 16 апреля 2010 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивное распространение нелинейной нагрузки (НН) в связи с применением преобразователей частоты (ПЧ) в системах частотно-регулируемого электропривода приводит к значительному искажению формы кривых тока и напряжения в сетях нефтепромыслов. Несоответствие уровня искажения формы кривых тока и напряжения нормам ГОСТ 13109-97 и международных стандартов в области качества электрической энергии (КЭ) приводит к снижению срока службы основного электрооборудования, возникновению аварийных ситуаций из-за ложного срабатывания систем релейной защиты и электросетевой автоматики, увеличению потерь активной мощности, снижению коэффициента мощности сети и увеличению потерь добычи нефти.

Традиционные технические средства и решения, направленные на повышение КЭ, не способны эффективно компенсировать высшие гармонические составляющие (ВГС) в сетях нефтепромыслов с интенсивным распространением НН. Наиболее современным и перспективным техническим решением по компенсации ВГС в условиях нефтепромыслов, являются активные системы коррекции формы кривых тока и напряжения на базе параллельных активных фильтров (ПАФ). В этой связи задача снижения потерь добычи нефти путем повышения уровня КЭ и приведения его в соответствие с нормами ГОСТ 13109-97 и международных стандартов, а также снижение потерь активной мощности, обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) и увеличение срока службы электрооборудования в сетях нефтепромыслов представляется актуальной.

Работа основана на результатах исследований Д. Аррилаги, Д. Бредли, Демирчяна К.С., Жежеленко И.В., Абрамовича Б.Н., Железко Ю.С., Пронина М.В., Шидловского А.К., Шрейнера Р.Т., Агунова М.В., Агунова А.В. и др.

Цель работы. Снижение потерь добычи нефти путем повышения качества электрической энергии в промысловых распределительных электрических сетях с помощью активных систем коррекции формы кривых тока и напряжения.

Идея работы. С целью повышения качества электрической энергии в сетях нефтепромыслов следует компенсировать высшие гармоники активными системами коррекции формы кривых тока и напряжения на основе параллельных активных фильтров для снижения величины коэффициента искажения синусоидальности формы кривой напряжения сети до нормативного значения.

Основные задачи исследования:

• выявление основных типов НН, их параметров, режима работы и генерируемых ВГС; анализ недостатков традиционных технических средств и решений по компенсации ВГС в сетях нефтепромыслов;

• разработка структуры системы управления и алгоритма выявления и компенсации ВГС ПАФ в сетях нефтепромыслов с НН;

• создание математической модели ПАФ с системой управления на основе разработанного алгоритма и оценка эффективности компенсации ВГС и реактивной мощности с выявлением зависимостей показателей качества электрической энергии (ПКЭ) от параметров сети нефтепромысла, режимов работы ПАФ и НН;

• экспериментальные исследования режимов работы ПАФ, система управления которого функционирует в соответствии с разработанным алгоритмом компенсации ВГС в сетях нефтепромыслов;

• разработка методики выбора структуры, режима работы, основных параметров и места подключения ПАФ в сетях нефтепромыслов на основании результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, силовой электроники, фазовых преобразований, математического моделирования электромагнитных процессов с использованием пакета MatLab. Экспериментальные исследования включали промышленные испытания серийных и опытных образцов ПАФ в различных режимах в электрических сетях действующих нефтепромыслов.

Научная новизна работы:

• Выявлены зависимости коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения сети от показателей режима работы параллельного активного фильтра, параметров и конфигурации компенсируемой сети, типа и характера изменения нелинейной нагрузки, которые позволяют произвести выбор основных параметров и режима работы фильтра, что обеспечивает соответствие уровня качества электрической энергии нормативным значениям.

• Обоснованы структура активной системы коррекции формы кривых тока и напряжения и выбор места подключения параллельных активных фильтров в промысловых электрических сетях с конденсаторными установками для обеспечения соответствия величины коэффициента искажения синусоидальности формы кривой напряжения нормативному значению и отсутствие резонанса на частотах канонических высших гармоник.

Защищаемые научные положения:

1. Выбор структуры, основных параметров и режима работы активных систем коррекции на основе параллельных активных фильтров в сетях нефтепромыслов следует проводить на основании выявленных по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований зависимостей коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения от соотношения активных мощностей нелинейной и полной нагрузки, зависимости номинального тока фильтра от тока компенсируемой нелинейной нагрузки.
2. Компенсацию реактивной мощности и высших гармоник в сетях нефтепромыслов необходимо выполнять активными системами коррекции формы кривых тока и напряжения на основе параллельных активных фильтров, функционирующими в соответствии с предложенным алгоритмом, при этом выбор места подключения фильтра производиться из условия отсутствия резонанса на частотах канонических высших гармоник с учетом топологии размещения конденсаторных установок, причем при соотношении активных мощностей нелинейной и полной нагрузки от 0,4 до 0,8 ток фильтра должен составлять от 0,5 до 0,7 от номинального тока компенсируемой нелинейной нагрузки в точке подключения фильтра.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований режимов работы ПАФ в сетях нефтепромыслов с НН не хуже 90 %. Они подтверждаются результатами исследований других авторов.

Научная ценность диссертации заключается в разработке методики определения структуры, основных параметров, режима работы и места подключения ПАФ в сетях нефтепромыслов с НН при наличии конденсаторных установок (КУ) и пассивных фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ);

Практическая ценность диссертации:

• разработаны структура и алгоритм работы системы управления ПАФ, обеспечивающие эффективную компенсацию ВГС для приведения уровня КЭ в соответствие с нормативными требованиями;

• с целью оценки эффективности работы ПАФ выполнена оценка изменения кратности снижения срока службы основного электрооборудования сетей нефтепромыслов;

• расчетный экономический эффект применения одного ПАФ в сетях нефтепромыслов в соответствии с разработанной методикой в зависимости от номинального тока ПАФ составляет от 100 до 250 тыс. руб. за год.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы используются ООО «РН-Юганскнефтегаз» и ООО «ЮНГ-Энергонефть» при составлении программ, организации и проведении научно-технических работ, направленных на энергосбережение и повышение КЭ в сетях нефтепромыслов. Получен акт внедрения результатов диссертации от ООО «РН-Юганскнефтегаз».

Личный вклад автора. Разработаны структура и алгоритм работы системы управления ПАФ, разработана математическая модель ПАФ в сети нефтепромысла при наличии КУ и пассивных ФКУ, выявлены зависимости ПКЭ от параметров и режимов работы ПАФ, разработана методика определения основных параметров, режима работы и места подключения ПАФ в сетях нефтепромыслов на основании результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 гг. в СПГГИ (ТУ); политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона» в 2006 г. в СПбГПУ, конференциях «Новые идеи в науках о земле» в 2005 и 2006 гг. в РГГРУ (Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 121 рисунок, 27 таблиц, список литературы из 102 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертации 191 страница.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи повышения КЭ, рассматриваются основные типы НН, генерируемый ими спектр ВГС, основные негативные влияния ВГС на режим работы промыслового электрооборудования.

В главе 2 произведен анализ существующих традиционных технических средств и решений, направленных на повышение КЭ в сетях нефтепромыслов.

В главе 3 выполнен анализ структуры и принципа действия ПАФ. Разработаны структура и алгоритм работы системы управления ПАФ.

В главе 4 приведены результаты математического моделирования ПАФ в сети нефтепромысла с НН, КУ и пассивными ФКУ.

В главе 5 приведены результаты экспериментальных исследований ПАФ в сетях нефтепромыслов. Разработана методика определения основных параметров, режима работы и места подключения ПАФ в сетях нефтепромыслов.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ научные ПОЛОЖЕНИЯ

1. Выбор структуры, основных параметров и режима работы активных систем коррекции на основе параллельных активных фильтров в сетях нефтепромыслов следует проводить на основании выявленных по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований зависимостей коэффициентов искажения синусоидальности формы кривых тока и напряжения от соотношения активных мощностей нелинейной и полной нагрузки, зависимости номинального тока фильтра от тока компенсируемой нелинейной нагрузки.

Основным этапом при компенсации ВГС ПАФ является формирование опорного синусоидального сигнала тока, который служит эталоном при выделении порядка, величины и фазы компенсируемых ВГС. Существует ряд способов формирования опорных сигналов с помощью специальных генераторов и преобразований. В условиях нефтепромыслов, где основным видом НН являются преобразователи частоты (ПЧ), наиболее целесообразным способом формирования опорного сигнала компенсационного тока является использование методов фазовых преобразований, разработанных для анализа режимов работы вращающихся электрических машин.

Рис.1. Функциональная схема ПАФ с НН

На рис.1 приведена обобщенная функциональная схема ПАФ в сети нефтепромысла с НН (ia,b,c нн – ток потребляемый НН, ia,b,c ПАФ – ток генерируемый ПАФ, ia,b,c с – ток питающей сети, iоп – сигнал опорного тока, k1-k6 – силовые ключи инвертора, ua,b,c с – напряжение питающей сети).

На рис.2 приведена функциональная схема разработанной системы управления ПАФ. При формировании опорного сигнала тока (Iз abc) измеренные линейные напряжения компенсируемой сети Uab и Ubc, преобразовываются в систему координат , при помощи преобразователя фаз 3-2, на вход которого поступают измерительные сигналы с датчиков напряжения. Для выделения из сигналов напряжений сети Uab и Ubc основной составляющей используется блок фазовой синхронизации. Напряжение на накопительном конденсаторе поддерживается на заданном уровне с помощью ПИ регулятора, который формирует задание по генерируемому инвертором компенсационному току Iз, на основании информации о фактическом Uк и заданном Uкз напряжении конденсатора. Полученные заданные значения токов Iз abc сравниваются с искаженным токами НН Ic abc и фактическим током ПАФ Iф abc блоком сравнения. Сигналы рассогласования Ip по токам на выходе блока сравнения поступают на вход формирователя импульсов, выполненного на основе релейных регуляторов, который генерирует импульсы управления силовыми ключами инвертора.

Рис.2. Функциональная схема системы управления ПАФ

При компенсации ВГС, создаваемая при этом реактивная мощность также компенсируется, в то время как реактивная мощность основной составляющей остается неизменной. Для возможности компенсации реактивной мощности основной составляющей в систему, представленную на рис.2, вводятся дополнительные блоки, осуществляющие необходимые преобразования. Таким образом, в зависимости от поставленных практических целей и задач, ПАФ можно оснастить соответствующей системой управления с заданным набором функций.

Разработана математическая модель ПАФ в сети нефтепромысла с НН в среде Simulink системы MatLab. Система управления ПАФ функционирует в соответствии со схемой рис.2. Результаты моделирования показали, что коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения kU снизился с 10,16 % до 2,6 %, а коэффициент искажения синусоидальности формы кривой тока kI - с 24,47 % до 2,02 %, что подтверждает эффективность компенсации высших гармоник ПАФ и соответствие величины kU норме ГОСТ 13109-97.

На рис. 3 представлен разработанный на основании результатов математического моделирования алгоритм работы ПАФ, предусматривающий использование функциональных возможностей ПАФ в зависимости от поставленных практических целей и задач по компенсации ВГС и коррекции коэффициента мощности основной составляющей сети.

По результатам моделирования выявлены зависимости величины kI тока НН, суммарного тока сети до компенсации, тока сети после компенсации от отношения активной мощности НН (Рн) к суммарной активной мощности сети (Рн+Рлн):

, (1)

при различных значениях сопротивления системы Хс. Результаты аппроксимации, погрешность которой не превышала 15 %, показали, что полученные зависимости носят степенной характер. В процессе моделирования изменение коэффициента осуществлялось путем варьирования параметров НН при фиксированной величине линейной нагрузки, так как в условиях нефтепромыслов при модернизации оборудования скважин, включая замену погружного электродвигателя и скважинных трансформаторов, величина вспомогательной линейной нагрузки как правило остается неизменной.

Рис.3. Алгоритм работы ПАФ

Также выявлены зависимости kU сети до и после компенсации ВГС от при различных значениях Хс. Получены зависимости коэффициента kм и активной мощности сети Рс от . Выявлены зависимости kI и kU сети до и после компенсации ВГС ПАФ от длины линии lн, соединяющей НН с сетью. Получены линейные зависимости тока ПАФ Iпаф от тока НН Iнн, представленные на рис.4.: а – при наличии только НН (2), б – при наличии нелинейной и линейной нагрузки (3):

; (2)

. (3)

Рис.4 Зависимости Iпаф от Iнн

Также по результатам математического моделирования выявлены линейные зависимости kI, kU и коэффициента мощности kм от величины реактивного сопротивления системы Хс при различных значениях заданного напряжения Uz, емкости Сн накопительного конденсатора ПАФ и индуктивного сопротивления сглаживающих дросселей ПАФ Хдр, линейные зависимости kU, kI и kм от Xc при фиксированных Cн и Uz при различных значениях Xдр.

Разработаны математические модели ПАФ в сети нефтепромысла с НН и конденсаторными установками, с НН и пассивными фильтрами. Разработана комплексная математическая модель нефтепромысла с НН и ПАФ, параметры которой соответствуют экспериментальным данным.

По результатам математического моделирования ПАФ в сети нефтепромысла с НН и анализа полученных зависимостей сделаны следующие выводы: