功率平衡法论文

2024-05-19

功率平衡法论文（精选7篇）

功率平衡法论文篇1

摘要：目前抽油机井平衡的计算主要是沿用了“使上、下冲程中减速器曲柄轴扭矩相等”的准则, 依据这一准则使用的是“电流平衡”计算方法, 认定平衡率在85%100%之间抽油机就是平衡的。这一做法简单、方便, 但从电动机的工况上看, 应用上述准则存在一些弊端, 诸如电动机所做负功增加、能耗较高等。为了有效提升抽油机井的管理水平, 在此引入了“上、下冲程电动机做功相等”的平衡判断准则, 即应用“功率平衡”测试方法。现场应用情况表明, “功率平衡”测试方法较“电流平衡”计算方法具有明显的优势。

关键词：抽油机,电流,功率,平衡调整

目前常用的机采举升方式有三种, 其中抽油机作为主要的举升方式之一, 其应用数量占油田举升设备总数的90%以上[1]。抽油机的平衡状况直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电动机的效率与寿命。在此通过改善抽油机的平衡状况来达到延长减速箱和电动机的使用寿命, 提升其工作效率。由此引入的“上、下冲程电动机做功相等”平衡判断准则, 给出了应用“功率平衡”测试结果来计算平衡半径调整的方法, 并将其与“电流平衡”计算方法进行了比对, 从而体现出“功率平衡”测试方法的优势。

1 两种平衡计算方法统计分析

依据不同的平衡判定准则可以导出不同的平衡计算方法。从简单方便的角度出发, 多采用“使上、下冲程中减速器曲柄轴扭矩相等”准则中的“电流平衡”计算方法;在此依据“上、下冲程电动机做功相等”的平衡判断准则给出了“功率平衡”测试方法。

1.1 电流平衡法

测量电动机上、下冲程中的电流峰值, 下电流与上电流的比值作为平衡率, 可由公式 (1) 表示:

式中:

ηI——单井平衡率, %;

Id max——抽油机下冲程最大电流, A;

Iu max——抽油机上冲程最大电流, A。

当比值在85%~100%之间即认为达到了平衡状态。

1.2 功率平衡法

功率法是用功率记录仪把电动机的功率变化曲线记录下来, 以判断抽油机的平衡状况和调整平衡半径的方法[2]。利用单项功率表, 依据“上、下冲程电动机做功相等”的平衡判断准则, 通过测试其功率曲线, 依据上、下冲程电动机平均功率的变化情况, 给出平衡块的调整方法。

式中:

ηT——抽油机的机械传动效率;

Ns——光杆冲速, min-1;

Gq——单块曲柄平衡块的重力, k N;

k——安装的曲柄平衡块的数目。

2 两种平衡调整方法对比分析

为了检验电动机功率法判断和调整抽油机平衡半径的可靠性与实用性, 进行了电流曲线法和电动机功率法的实测分析。两种方法分别测试调整了50口井。表1为其中两口井的测试数据。

2.1 两种调整方法对比

通过2口井的测试数据表明电流平衡法是平衡的。为了更合理些, 仍然做了调整。功率平衡法显示的平衡比是不平衡的, 将现场数据输入功率法计算公式后, 按照给出的建议, 一次调整成功。两种平衡调整方法对比见表2。

2.2 两种方法调整后综合对比

两种平衡调整方法调整后都使抽油机处于平衡状态, 但是电流法工作量大, 日耗电有所增加, 而功率平衡法一次成功, 日耗电量降低。电力及能耗测试结果表明, 功率曲线和电流曲线较之前平缓了许多, 但从调整次数、精确程度及能耗角度来讲, 功率平衡法调整比电流法具有很大的优势。两种平衡法调整后综合统计见表3, 两种平衡调整方法优缺点对比见表4。

3 两种平衡调整方法经济效益对比

按照每个小队 (60个小队) 配备一个测试仪, 电价按0.638 1元/k Wh计算, 功率法较电流法多创经济效益112.56万元 (表5) 。

4 结论

1) 在实际生产过程中, 针对抽油机平衡测试存在的问题, 建议使用平衡功率测试仪来解决测试工作中存在的问题, 这不仅减轻了采油工测试调整工作量, 还提高了平衡调整的精度。

2) 功率平衡法判断抽油机的平衡比电流平衡法更具有优势, 能消除电流平衡法在一些情况下的假平衡现象。

参考文献

[1]王洪勋, 张琪.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社, 1989:56-61.

[2]张明亮, 雷长森, 田小兰, 等.抽油机曲柄平衡的调整计算及效果预测[J].石油机械, 2001, 5 (2) :3-5.

功率平衡法在油田生产中的应用篇2

1 电流平衡法应用现状与分析

长期以来, 判断抽油机平衡度的常规方法是电流平衡法[1], 即采用钳形电流表来测量抽油机在运行过程中上、下冲程时电动机所产生的不同电流峰值, 再将上冲程电流峰值与下冲程电流峰值相比, 其比值作为平衡度 (平衡度=I下∕I上, 目前均采用小值比大值的方法) , 通常将电流平衡度在85%~115%区间作为标准区间, 即认为电流平衡度在标准区间内时抽油机的系统能耗最低。若超出115%, 表示平衡重过大, 属于过平衡状态;若低于85%, 则表示平衡程度不够, 属于欠平衡状态, 需要加大曲柄平衡配重的数量或是加大曲柄平衡配重的平衡半径。在调整平衡的距离时, 一般依据经验值进行调整。

这种抽油机平衡测试方法判断及调整抽油机的平衡度, 有些情况下不能保证抽油机一定处于耗电最低的状态[2], 有时甚至是多耗电, 出现这种现象的主要原因如下:

1) 某些严重不平衡的油井, 其下冲程 (或上冲程) 测试最大电流为发电电流, 但钳形电流表测得的这一最大电流因无法判断相位而不能判断其是发电电流还是输入电流, 在这种状态下用电流法测试评价的平衡度, 数值看似是合格的, 但实际上是严重的不平衡。

2) 电流法是一种粗略的估计方法, 误差较大, 它没有考虑电流在整个上下冲程的实时变化情况, 更没有考虑功率的变化情况。在实际操作中, 由于在上下冲程中电流峰值所占的时间幅度窄, 以及抽油机这种交变载荷导致电流持续不断变动等因素的影响, 测试人员仅靠目测很难准确读取数值。

3) 由于近年来变频智能控制技术越来越多地应用于采油工程领域, 而传统电参数测量仪表只能测试工频, 无法满足变频状态下的测试, 这导致使用变频技术的抽油机平衡率难以得到准确的测量结果。

综上, 电流法从理论和实际操作上都存在着很大的缺陷, 准确性较差, 存在假象平衡的问题, 并且难以满足变频智能控制技术领域的要求。

2 功率法测平衡的现场应用

2009年5月实施的企业标准《游梁式抽油机平衡及操作规范》 (Q/SY1233—2009) 中规定了采用功率平衡度判别的新方法, 即上下 (下上) 冲程电动机平均输入功率之比 (比较大值为分母, 用小数表示) 。当上下冲程的平均功率有一项为零或负值时, 功率平衡度为零;当功率平衡度小于0.5时可判定抽油机不平衡, 需对抽油机进行平衡调整。

2.1 常规配电箱 (工频运行状态) 的应用

2013年5月首先试验5口井:1-26-3井、2-28-27井、1-29-4井、1-31-2井、1-32-2井。除1-26-3井平衡块已调到头需再加平衡块, 以及1-31-2井、1-32-2井功率已平衡没有实施外, 实际调整两口井, 下面做具体对比。

2.1.1 试验井2-28-27

调整前, 钳形电流表测平衡度0.55 (38/21) ;仪表DK301测平衡度0.503 (42.15/21.23) , 测功率平衡度0.026 (0.092/3.477) , 测日耗电143.32 k Wh。

建议曲柄平衡块向外移0.56 m, 移到1.08 m处。

效果预测:上电流33.43 A, 下电流27.37 A, 电流平衡度0.82, 均方根电流22.58 A;功率从-1.47k W到14.12 k W, 变化范围为15.58 k W, 功率平衡度为0.87;均方根功率6.66 k W。预计调平衡可节电2.39 k Wh, 日节电量57.36 k Wh。

实际调整后, 钳形电流表测平衡度0.71 (35/25) ;仪表DK301测平衡度0.73 (35.9/26.2) , 测功率平衡度0.506 (1.098/2.167) , 测日耗电120.54 k Wh;实际节电22.78 k Wh。

2.1.2 试验井1-29-4

调整前, 钳形电流表测平衡度0.79 (23/29) ;仪表DK301测平衡度0.87 (24.98/28.63) , 测功率平衡度0.45 (1.29/2.88) , 测日耗电151.42 k Wh。

建议曲柄全部向外调整0.05 m, 移到1.15 m处。

效果预测:上行电流27.39 A, 下行电流26.12A, 电流平衡度为0.95, 均方根电流为20.60 A;功率从1.24 k W到12.65 k W, 变化范围为11.41 k W, 功率平衡度为0.61;均方根功率为6.87 k W。预计调平衡可节电0.28 k Wh, 日节电量为6.77 k Wh。

实际调整后, 钳形电流表测平衡度0.92 (24/26) ;仪表DK301测平衡度0.93 (25.25/27.11) , 测功率平衡度0.55 (1.439/2.618) , 测日耗电144.65 k Wh;实际节电6.74 k Wh。

2.2 变频控制配电箱的测试

变频智能控制技术主要是根据抽油机的运行状态, 如液面、扭矩等工况, 自行调整电动机的运行参数, 使抽油机在最佳的状态下运行, 达到提高抽油机效率、节能降耗的目的。因为常规电流法在变频运行状态下测出的平衡度是系统优化后的状态, 不足以显示抽油机自身的最初平衡度;因此, 常规电流法测试时配电箱调平衡主要是在工频状态下测试调整, 为了探索功率法测平衡对变频控制技术的适用性, 测试分工频和变频两种状态进行。

通过调整测试, 4口井在工频状态下, 调整前平均功率平衡度0.10, 日耗电657.44 k Wh;调整后平均功率平衡度0.31, 日耗电624.96 k Wh, 日节电32.48 k Wh (表1) 。

在变频状态下, 4口井调整前平均功率平衡度0.45, 日耗电513.18 k Wh;调整后平均功率平衡度0.61, 合计日耗电465.31 k Wh, 日节电47.87 k Wh (表2) 。说明功率平衡调整方法在变频配电箱上仍然可以使用, 且使用效果较好。

在以上测试的基础上扩大测试范围, 初期累计测试抽油机井22口。从测试结果看:采用电流法平衡标准 (平衡度小于0.85) 判定有7口井不平衡;而以功率法平衡标准 (平衡度小于0.5) 判定则增加为15口井不合格。根据功率平衡调整建议对14口井进行了调整, 统计调整后累计日节电264.11 k Wh。

3 结论及认识

1) 应用功率法判断抽油机平衡状态更科学。

过去由于技术条件和测试设备的限制, 无法测试出抽油机做负功的状态, 只能采用上下冲程电流峰值比的简易方法测试抽油机的平衡度, 方法的简易限制了抽油机平衡调整的精度。随着科技的发展, 技术和设备逐步具备了单井实时测量功率及其曲线的条件。试验证实, 电流如果不平衡, 抽油机肯定不平衡, 电流平衡了抽油机也不一定平衡。试验结果表明, 查看电功率曲线, 应用功率平衡法能更准确地判断抽油机的平衡状况。由此进行的调整, 才能使抽油机在最优的状态下运行。

2) 应用功率法调整抽油机平衡状态更节电。统计功率不平衡的14口井, 总日耗电2200.75 k Wh, 应用功率平衡法调整后实现日节电264.11 k Wh, 节电率12.00%。以此估算14口井一年就可节电91580.14 k Wh (按时率0.95计算) , 节电效果明显。

3) 功率平衡法也适用于安装变频智能控制配电箱井的平衡度测量。通过在变频状态和工频状态分别测试对比证实, 功率平衡法适用于应用变频智能控制技术的抽油机井, 能够达到准确指导单井平衡调节的作用, 且使用效果较好。

4) 试验用测试设备采样精度高。常规电流法测平衡相对简易、便捷。目前功率平衡测试仪的测试方法, 连接略繁琐, 但也适合现场操作, 而其采集数据精度较高, 对电动机数据的采样率为0.3125 ms, 能较准确地捕捉瞬间峰值点, 测试结果更具指导性。

摘要：抽油机的平衡运行状态是指电动机在上、下冲程中都做正功且相等。电流法判断抽油机平衡由于无法识别负功引起的虚假平衡, 不能完全满足油田安全节能生产的切实需要。随着近年来功率法测平衡技术的发展, 目前的功率测平衡工具能在判断抽油机井准确平衡状态的同时, 根据实测参数对抽油机平衡状态进行综合分析, 并给出调整意见, 使抽油机的平衡调整更具科学性。2013年5月, 应用功率平衡法进行的抽油机平衡调整试验取得了较好的节能效果, 且证明功率平衡法也适用于应用变频控制技术的抽油机井。

关键词：抽油机,负功,功率平衡,平衡度

参考文献

[1]张琪.采油工程原理与设计.山东东营:石油大学出版社, 2000.

功率平衡法论文篇3

与传统的二极管不控整流器和相控整流器相比,PWM整流器具有高功率因数、低谐波、能量双向流动等优点[1,2],得到越来越广泛的应用。传统的三相电压型PWM整流器的控制方法是建立在三相输入电压平衡基础上的,当电网电压不平衡时,这些控制方法的性能会受到较大影响,致使电网输入电流和直流输出电压产生大量谐波,影响PWM整流器的控制效果[3,4]。

为抑制直流输出电压的谐波,文献[5]由功率平衡关系导出了使直流电压无谐波的输入电流正负序分量,在正序同步旋转坐标系下对输入电流进行PI控制。由于电流负序分量在正序坐标系下表现为交流量,通过PI调节不能实现无静差调节。文献[6]在两相静止坐标系下对输入电流进行控制,为实现电流的无静差调节,采用了内模控制器。这种方法不需要检测电流正负序分量,简化了控制系统设计,而内模控制器设计则是一个难点。

本文以抑制直流输出电压的谐波为目的,根据功率平衡原理[7],提出了基于正负序控制器的不平衡控制策略。根据功率平衡原则,推导出输入电流正负序分量指令值。为实现对电流的无静差调节,构建正负序两个控制器,分别对输入正负序电流分量进行控制。由于在各个控制器下的控制量均为直流量,采用普通的PI调节器就可以获得良好的控制性能。在Matlab/Simulink上的仿真结果表明提出的控制策略的正确性。

2 基于功率平衡的整流器原理

三相电压型PWM整流器结构图如图1所示。

由图1可推导出在空间矢量上的电压平衡关系式:

$E_{s} = V_{s} + L \frac{d Ι_{s}}{d t} + R Ι_{s} (1)$

式中:Es,Vs,Is分别为交流侧电压和电流矢量;L,R为滤波电感和等效电阻。

电网电压不平衡时,Es可分解为正负序电压分量:

Es=ejω tE $_{d q}^{p}$ +e-jω tE $_{d q}^{n}$ (2)

式中:E $_{d q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ 分别为正负序同步旋转坐标系电压矢量,E $_{d q}^{p}$ =Epd+jE $_{q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ =E $_{d}^{n}$ +jE $_{q}^{n}$ ;ω为电压矢量的旋转角频率。

将Vs,Is也作上述分解,代入式(1),可得:

${\begin{cases} E_{d q}^{p} = V_{d q}^{p} + L \frac{d Ι_{d q}^{p}}{d t} + R Ι_{d q}^{p} + j ω L Ι_{d q}^{p} \\ E_{d q}^{n} = V_{d q}^{n} + L \frac{d Ι_{d q}^{n}}{d t} + R Ι_{d q}^{n} + j ω L Ι_{d q}^{n} \end{cases} (3)$

式中:V $_{d q}^{p}$ ,V $_{d q}^{n}$ ,I $_{d q}^{p}$ ,I $_{d q}^{n}$ 分别为交流侧电压、电流矢量的正负序分量。

在电网电压不平衡时,电网的输入功率矢量可表示为

$\begin{array}{l} S = Ρ + j Q = E_{s} Ι_{s}^{*} \\ = (e^{j ω t} E_{d q}^{p} + e^{- j ω t} E_{d q}^{n}) (e^{j ω t} Ι_{d q}^{p} + e^{- j ω t} Ι_{d q}^{n})^{*} \end{array} (4)$

代入E $_{d q}^{p}$ ,E $_{d q}^{n}$ ,I $_{d q}^{p}$ ,I $_{d q}^{n}$ ,可求得

${\begin{cases} Ρ (t) = Ρ_{0} + Ρ_{c 2} \cos (2 ω t) + Ρ_{s 2} \sin (2 ω t) \\ Q (t) = Q_{0} + Q_{c 2} \cos (2 ω t) + Q_{s 2} \sin (2 ω t) \end{cases} (5)$

其中

${\begin{cases} Ρ_{0} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{p} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{p} + E_{d}^{n} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{n} Ι_{q}^{n}) \\ Ρ_{c 2} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{n} + E_{d}^{n} Ι_{d}^{p} + E_{q}^{n} Ι_{q}^{p}) \\ Ρ_{s 2} = 1.5 (E_{q}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{p} - E_{q}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{d}^{p} Ι_{q}^{n}) \\ Q_{0} = 1.5 (E_{q}^{p} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{p} Ι_{q}^{p} + E_{q}^{n} Ι_{d}^{n} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{n}) \\ Q_{c 2} = 1.5 (E_{q}^{p} Ι_{d}^{n} - E_{d}^{p} Ι_{q}^{n} + E_{q}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{d}^{n} Ι_{q}^{p}) \\ Q_{s 2} = 1.5 (E_{d}^{p} Ι_{d}^{n} + E_{q}^{p} Ι_{q}^{n} - E_{d}^{n} Ι_{d}^{p} - E_{q}^{n} Ι_{q}^{p}) \end{cases} (6)$

根据功率平衡原理,当忽略滤波电感和电阻的影响时,电网输入功率等于直流侧的输出功率。由式(6)可知,由于电网不平衡,导致输入有功功率和无功功率均存在2次电网频率的谐波分量。输入有功功率的2次谐波分量将导致直流电压也存在2次谐波,影响整流器的直流输出特性。

为抑制直流电压的2次谐波,可令电网输入有功功率的2次谐波分量为零,即P*c2=P*s2=0;同时为了获得单位功率因数,令输入无功功率的直流分量为零,即Q*0=0,代入式(6)的前4个式子,可求得抑制直流电压谐波的电流指令值:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} Ι_{d}^{p *} \\ Ι_{q}^{p *} \\ Ι_{d}^{n *} \\ Ι_{q}^{n *} \end{matrix}] = [\begin{matrix} E_{d}^{p} & E_{q}^{p} & E_{d}^{n} & E_{q}^{n} \\ E_{q}^{p} & - E_{d}^{p} & E_{q}^{n} & - E_{d}^{n} \\ E_{q}^{n} & - E_{d}^{n} & - E_{q}^{p} & E_{d}^{p} \\ E_{d}^{n} & E_{q}^{n} & E_{d}^{p} & E_{q}^{p} \end{matrix}]^{- 1} [\begin{matrix} \frac{2}{3} Ρ_{0}^{*} \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}] \\ = \frac{2 Ρ_{0}^{*}}{3 D} [\begin{matrix} E_{d}^{p} \\ E_{q}^{p} \\ - E_{d}^{n} \\ - E_{q}^{n} \end{matrix}] (7) \end{array}$

式中:P*0为设定的有功功率的直流分量;D=[(E $_{d}^{p}$ )2+(E $_{q}^{p}$ )2-(E $_{d}^{n}$ )2-(E $_{q}^{n}$ )2]≠0。

根据式(7)的电流指令值,通过合适的电流控制策略,可以使输入有功功率不含2次谐波,直流电压的谐波将得到很好的抑制。但是,由式(7)可知,输入电流的负序分量不为零,致使电网电流各相不平衡,而且输入无功功率也存在2次谐波。

3 不平衡控制策略的实现

由于在正序同步旋转坐标系中,负序分量表现为2次电网频率的交流值,当使用PI调节器时,不能实现无静差调节。所以,本文在正序坐标系下用正序控制器实现对正序分量控制的同时,增加了一个负序控制器,实现对负序分量的无静差调节。

3.1 正负序电压电流分量检测

将电压矢量Es变换到正序同步旋转坐标系,可得:

e-jω tEs=E $_{d q}^{p}$ +e-j2ω tE $_{d q}^{n}$ (8)

由式(8)可知,负序电压分量表现为频率为2倍电网频率的交流量,使用陷波频率为2次电网频率的陷波器将负序交流分量滤除,即可得到正序电压分量。同理,在负序同步旋转坐标系中,通过陷波器滤除正序交流分量,可得到负序电压分量。检测电网电压正负序分量的原理图如图2所示。

图2中,坐标系之间的转换矩阵如下:

$C_{a b c / α β} = \frac{2}{3} [\begin{matrix} 1 & - 1 / 2 & - 1 / 2 \\ 0 & \sqrt{3} / 2 & - \sqrt{3} / 2 \end{matrix}] (9)$

$C_{α β / d q_p} = [\begin{matrix} \cos (ω t) & \sin (ω t) \\ - \sin (ω t) & \cos (ω t) \end{matrix}] (10)$

$C_{α β / d q_n} = [\begin{matrix} \cos (ω t) & - \sin (ω t) \\ \sin (ω t) & \cos (ω t) \end{matrix}] (11)$

正负序电网电流的检测原理也与此相同。

3.2 输入电流指令计算

由式(7)可知,要获得电流指令值,首先要计算输入有功功率的直流分量P*0。为了保持直流输出电压Udc稳定,加入电压外环,采用PI调节器进行控制。直流电压设定为U*dc,由功率关系,电压PI调节器的输出与直流输出电流相对应,则输出功率为

$Ρ_{o u t}^{*} = [(Κ_{v Ρ} + \frac{Κ_{v Ι}}{s}) (U_{d c}^{*} - U_{d c})] U_{d c}^{*} (12)$

由功率平衡关系,输入有功功率P*0即等于输出功率P*out。根据式(7),结合检测到的正负序电压分量,即可求得输入电流指令值。

3.3 基于正负序控制器的电流控制

在正序同步旋转坐标系下,由式(3)可知正序电流的d轴和q轴分量相互耦合,所以采用基于前馈的解耦控制规律,对解耦后的d,q轴分量分别进行PI调节。经过前馈解耦和PI控制,可推导出整流器交流侧正序电压分量为

${\begin{cases} V_{d}^{p} = E_{d}^{p} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{d}^{p *} - Ι_{d}^{p}) + ω L Ι_{q}^{p} \\ V_{q}^{p} = E_{q}^{p} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{q}^{p *} - Ι_{q}^{p}) - ω L Ι_{d}^{p} \end{cases} (13)$

同理,在负序同步旋转坐标系下,对负序电流进行前馈解耦和PI控制,得到交流侧负序电压分量为

${\begin{cases} V_{d}^{n} = E_{d}^{n} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{d}^{n *} - Ι_{d}^{n}) - ω L Ι_{q}^{n} \\ V_{q}^{n} = E_{q}^{n} - (Κ_{i Ρ} + \frac{Κ_{i Ι}}{s}) (Ι_{q}^{n *} - Ι_{q}^{n}) + ω L Ι_{d}^{n} \end{cases} (14)$

将交流侧电压正负序分量变换到两相静止坐标系:

$[\begin{matrix} V_{α}^{} \\ V_{β}^{} \end{matrix}] = C_{d q_p / α β} [\begin{matrix} V_{d}^{p} \\ V_{q}^{p} \end{matrix}] + C_{d q_n / α β} [\begin{matrix} V_{d}^{n} \\ V_{q}^{n} \end{matrix}] (15)$

式中:Cdq_p/α β,Cdq_n/α β分别为坐标系之间的转换矩阵,Cdq_p/α β=Cαβ/dq_n,Cdq_n/α β=Cα β/dq_p。

根据交流侧电压矢量Vα,Vβ,通过SVPWM调制方法可以得到控制功率开关的6个开关信号,实现不平衡控制策略。

不平衡电压下PWM整流器的整体控制框图如图3所示。

4 仿真分析

为了验证提出的不平衡控制策略,在Matlab/Simulink下搭建仿真平台,进行仿真分析。仿真参数如下:正序电压幅值 $E_{p} = 220 \times \sqrt{2} V$ ;负序电压幅值 $E_{n} = 22 \times \sqrt{2} V$ ;滤波电感L=2 mH;等效电阻R=0.05 Ω;滤波电容C=2 200 μF;负载电阻RL=20 Ω;直流电压设定U*dc=700 V。

图4为正序控制器控制时的波形。由图4可知,直流电压、输入有功功率和无功功率都存在频率为100 Hz的2次谐波。说明正序控制器不能实现对输入电流的无静差调节,从而影响PWM整流器的直流输出特性。图5为正负序控制器控制时的波形。可以看到,对电流的正负序分量分别在正序和负序控制器下进行控制,使得输出直流电压和输入有功功率的2次谐波都得到很好的抑制。输入电流中加入了负序分量,输入无功功率也存在2次谐波,与理论分析相符。当电压从平衡到不平衡变化时,正负序控制器控制时的波形如图6所示。可以看出过渡过程平缓, 过渡时间较短,直流电压和输入有功电流几乎没有波动,输入电流加入了负序分量,输入无功功率从零变化为2次谐波量。

由仿真波形可知,基于正负序控制器的控制策略可以对直流电压2次谐波起到很好的抑制作用,改善整流器的直流输出特性。

5 结论

本文提出了一种使三相电压型PWM整流器直流输出电压无谐波的不平衡控制策略。根据功率平衡原理导出输入电流的正负序分量,采用正序和负序两个控制器来分别对电流的正负序直流分量进行控制,可以达到快速而且无静差的控制效果。仿真结果表明,提出的不平衡控制策略能够很好地抑制直流输出电压的谐波,改善PWM整流器的直流输出特性。此外,提出的控制策略是在原有正序控制器的基础上只增加了一个负序控制器,并不增加额外的硬件资源,易于在平衡控制策略基础上实现。

参考文献

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浅析无功功率的补偿与平衡篇4

关键词：发电机,同步调相机,静电电容器,静止补偿器,无功补偿

随着我国电力工业的迅猛壮大, 电网逐步扩张, 电力负荷增长很快, 电压等级越来越高, 电网、发电厂以及单机容量也越来越大, 电网覆盖的地理面积在不断扩大。但是, 由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展规模等诸多因素的影响, 致使电源分布不均衡, 要保证系统的稳定和优良的电能质量, 就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。

1 电力系统无功功率不足的危害及平衡的作用, 原则, 要求和补偿方式

1.1 无功功率不足的危害

交流电力系统需要两部分能量:一部分将用于做功而被消耗掉, 这部分称为“有功功率”;另一部分能量是用来建立磁场, 用于交换能量使用的, 对于外部电路它并没有做功, 称为“无功功率”, 无功是相对于有功而言, 不能说无功是无用之功, 没有这部分功率, 就不能建立磁场, 电动机, 变压器等设备就不能运转。无功功率不足, 无功电源和无功负荷将处于低电压的平衡状态, 将给电力系统带来诸如出力不足, 电力系统损耗增加, 设备损坏等一系列的损害, 甚至可能引起电压崩溃事故, 造成电网大面积停电。

1.2 无功补偿的作用

其一, 提高供用电系统及负载的功率因数, 降低设备容量, 减少功率损耗。其二, 稳定受电端及电网的电压, 提高供电质量。在长距离输电线路合适的地点设置动态无功补偿装置, 还可以改善输系统的稳定性, 提高输电能力。其三, 三相负载不平衡的场合, 通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

1.3 无功功率平衡补偿原则

总体平衡与局部平衡相结合;电力补偿与用户补偿相结合;分散补偿与集中补偿相结合;降损与调压相结合, 以降损为主。

1.4 电力系统无功功率平衡的基本要求

电力系统的无功电源和无功负荷, 在正常及事故运行时, 都应实行分层分区、就地平衡的原则, 并且无功电源应具有灵活的调节能力和一定的检修备用、事故备用。在正常运行方式时, 突然跳开一条线路, 或一定容量的无功补偿设备, 或一台一定容量的发电机 (或失磁) 之后, 系统无功电源事故备用的容量及配置方式, 应能保持电压稳定和正常供电, 避免出现电压崩溃;在正常检修运行方式时, 若发生上述事故, 应允许采取切除部分负荷或并联电抗器等措施, 以维持电压稳定

1.5 电力系统无功功率平衡的方式

1.5.1 个别补偿。

个别补偿是对单台用电设备所需无功就近补偿的方法, 把电容器直接接到单台用电设备的同一电气回路, 用同一台开关控制, 同时投运或断开, 俗称随机补偿。这种补偿方法的效果最好, 它能实现就地平衡无功电流, 又能避免无负荷时的过补偿, 是农网中对异步电动机进行补偿的常用方法。

1.5.2 分散补偿。

分散补偿是将电容器组分组安装在车间配电室或变电所个分路的出线上, 形成低压电网内部的多组分散补偿方式, 它能与工厂部分负荷的变动同时投切, 适合负荷比较分散的补偿场合, 这种补偿方式效果较好, 且补偿方式灵活, 易于控制。

1.5.3 集中补偿。

集中补偿就是把电容器组集中安装在变电所的二次侧的母线上或配电变压器低压母线上, 这种补偿方式, 安装简便, 运行可靠, 利用率高, 但当电气设备不连续运转或轻负荷时, 又无自动控制装置时, 会造成过补偿, 使运行电压升高, 电压质量变坏。季节性用电较强, 空载运行较长又无人值守的配电变压器不宜采用。

2 系统中各类无功电源的调节特性

2.1 发电机

发电机即使有功电源, 同事也是最基本的无功电源, 在不影响有功功率平衡的前提下, 通过改变发电机的励磁电流也就是调节发电机的功率因数, 就可以调节无功功率的输出, 从而调整运行电压, 发电机在额定状态下运行时各参数如图1所示。

纵轴表示有功功率, 横轴表示无功功率, OA表示发电机的额定电压, ICN为定子电流, Φ为额定功率因数, AB表示ICN在电抗Xd上的电压降, AB在纵轴上的投影表示有功功率, 在横轴上的投影表示无功功率, OB表示额定状态下的电势, 其长度正比于转子的额定励磁电流。由图可知, 发电机在额定状态下运行时, 发出的无功功率为QCN=SCNSinΦN=PCNtanΦN。。在改变发电机运行中的功率因数是, 要注意发电机运行的受约束的条件, 从图中可以看出, 发电机只有在额定状态B点下运行时, 其有功功率, 无功功率和视在功率才能达到额定值, 容量得到最充分的利用, 当发电机发出的有功功率低于额定功率时, 可发出的无功功率虽比额定状态运行时大, 但视在功率却较额定值小。任何时刻发电机运行电都不能超出图中阴影线的范围。

2.2 同步调相机

同步调相机实际上是只发无功功率的同步发电机, 而不发有功, 因其改变同步调相机的励磁电流, 可以平滑的改变同步调相机输出的无功功率, 从而调节所在地区的电压, 由于同步调相机的有功功率损耗较大, 并且小容量的调相机投资费用也较大, 所以同步调相机宜大容量集中使用, 常安装于大型枢纽变电所。

2.3 静电电容器

静电电容器只能想系统供给感性的无功功率, 而不能吸收无功功率, 它所输出的感性无功功率与所在节点的电压平方成正比。即, XC为电容器容抗。

静电电容器的优点:静电电容器可根据用户需要由多个电容器连接组成, 容量大小可根据需求选择;运行时功率损耗小, 约为额定容量的0.3%——0.5%;维护比较方便。

静电电容器的不足:无功功率的调节性能比较差, 投入切出过程比连续, 不能连续平滑的调节电压。

2.4 静止补偿器

它由静止电容器和电抗器组成, 电容器可发出无功功率, 电抗器可吸收无功功率, 两者结合起来再配以调控电抗器的电力电子调节装置, 就成为能够平滑改变输出或吸收无功功率的静止补偿器, 与静止电容器相比, 静止补偿器能平滑调节无功功率, 克服了电容器作为无功补偿调节不连续的缺点, 与调相机相比它功率损耗小, 还能做到分相补偿以适应不平衡负荷的变化, 对冲击性负荷有较强的适应性, 在电力系统中得到越来越广泛的应用。

3 利用并联电容器进行无功补偿的计算方法

按跳调压要求选择并联电容器的补偿容量。一简单电力网如图2所示, 供电电压U1和负荷功率P+JQ已给定, 线路电容和变压励磁功率略去不计, 包括高压侧变压器阻抗在内的线路总阻抗为R+JX。在未加补偿装置前若不计电压降落的横分量, 便有, 为归算到高压侧的变压器低压母线电压。

在变压器低压侧设置容量为QC的无功补偿设备后网络传送到负荷电的无功功率为Q-QC, 这是变压器低压母线归算到高压侧的电压也相应的变为,

故有, 如果补偿前后U1保持不变, 则

由此可解得式变压器低压母线的归算电压, 电压从改变所需的无功补偿容量为

由于上式后面项数值很小可以忽略, 上式简化为:

如果变压器的变比为K补偿后变压器低压侧要求保持电压为U2C, 则=KU2C, 带人上式可得

由上式可知, 补偿容量与调压要求, 变压器变比由关系, 变比的选择原则是:在满足调压要求的基础上, 使无功补偿容量最小, 由于电容器只能发出感性无功功率, 所以在变压器母线电压偏低时可以提高电压, 但电压偏高是不能降压, 通常降压变电所在打负荷时电压偏低, 小负荷时电压偏高, 为了充分利用电容器的补偿容量, 在大负荷时电容器应全部投入, 在最小负荷时退出, 从而并联电容器补偿容量的计算可归纳为:根据调压要求, 按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器分接头;按最大负荷时的调压要求计算补偿容量;根据确定的变比和选的补偿容量校验实际的电压变化。

TSC装置中功率不平衡保护方法篇5

随着电力电子与控制技术的发展,变频调速、中频炉、电弧炉等大功率非线性负载在工业、交通等领域广泛应用,导致功率因数降低、无功波动以及谐波污染等电能质量问题[1,2]。目前多采用晶闸管投切的电容器补偿装置来进行无功动态补偿和滤除谐波。采用大功率晶闸管替代传统的开关设备,可以解决开关触点机械动作的延时性和分散性与工频正弦交流电源电压变化的快速性和周期性之间的矛盾[3,4,5]。但是作为电力电子器件,晶闸管在工作时可能会因承受较大的电压与电流而被击穿或者损坏,导致补偿装置出现故障。目前,在TSC装置中常用开口三角形电压和中性点电流不平衡保护[6,7]。这2种保护算法在TSC装置中的应用存在以下不足:开口三角形电压保护的电压传感器并接在电容器两端,TSC装置中晶闸管开关断开后,由于电容器的残压导致电压传感器要承受较大的直流电压而使其发热损坏;而中性点电流不平衡保护要测量2路中性点间的电流,在TSC装置工作过程中,各补偿支路的投切都是动态改变的,因此可能出现保护误动作[8,9]。

因此,针对TSC装置的工作特点,相应的保护算法必须要合理设计。本文结合在TSC装置正常工作过程中有功功率是平衡的这一特性设计了一种新型的不平衡保护方法,该方法可以实现对TSC装置的可靠保护。

1 方法原理

TSC装置正常工作时,忽略补偿支路的电抗器直流损耗、谐波损耗、晶闸管导通损耗后,补偿支路中基本不消耗有功功率。不正常工作时,若补偿支路中有1个或2个电容器发生断开、短路、快熔损坏等故障,补偿支路的相电流就出现不平衡。经过研究发现在补偿支路不平衡状态时,有一个非常显著的特征:虽然每个补偿支路中电容器电流超前电容器电压90°这一物理现象没变,但是三相补偿系统总的相电流和相电压却偏离90°,三相补偿系统有功功率的和不再近似为零。利用这个特征就可以产生一种新的功率不平衡保护方法。该方法采用检测补偿装置的相电压和各相总电流,计算有功功率。TSC装置正常工作时三相平衡,总的有功功率近似为零;TSC装置故障时,总的有功功率不为零,并且随着三相不平衡的严重而增加[10,11]。TSC装置中功率不平衡保护的系统结构图如图1所示。

图中,TSC装置的保护控制单元通过测量系统A、C相电压以及补偿装置A、C相电流后,可计算得到三相总功率,根据总有功功率在正常工作时近似为零可以进行相应的保护动作。忽略电压畸变,设三相电压相量分别为Ua、Ub=α2Ua、Uc=αUa,其中α=ej 2π/3为旋转量,在实际TSC装置的任一补偿支路两相间的导纳分别为Yab、Ybc和Yca,则各相的电流相量为

则可以计算出三相视在功率为

于是通过两式可以计算出各相的有功功率,从而得到总有功功率。事实上,通过测量A、C相的电压与电流即可计算得到三相总有功功率。各相有功功率取绝对值后相加为总有功功率P鄱,则有功不平衡保护的判据为其中Pset为保护定值,同时根据实际运行情况将该保护的时限整定为反时限特性。

2 方法实现

要在TSC装置中实现功率不平衡保护,必须对两相电压与电流进行测量。目前常用的TSC接线形式为采用2个晶闸管开关作为A、C相的投切开关,B相直通,所以一般在TSC装置中测量A、C相的电压和电流,B相的参数通过计算可以得到。在TSC装置工作时可能在测量的A、C相的电压与电流中有相应的谐波成分,在实际进行保护计算之前必须要把测量结果中的谐波成分滤除,以防止谐波分量导致保护误动作[12]。实际的滤波功能可以通过数字滤波器或者模拟滤波器来实现,由于数字滤波器具有延时特性,为了提高保护动作的响应速度,本文采用了模拟低通滤波器来实现。具体的电路如图2所示。

通过调节可调电阻RW1和RW2实现对输入与输出信号的幅值和相位调整后,通过设置R1～R5的阻值与C1、C2的容值后实现截止频率为60 Hz的低通滤波。信号滤波后就可以在控制器中实现保护的计算与判定。当TSC装置发生缺相或者晶闸管击穿等故障时,有功功率不平衡保护可以迅速地判断出故障,并封锁控制信号,同时通过相应的继电器发出保护跳闸及报警信号。

3 仿真与实验

为了验证所提功率不平衡保护的有效性,进行了相关的仿真和实验。其中仿真是在EMTDC/PSCAD环境中进行,实验装置是在某工业场合进行实际检测,该现场的TSC装置为了防止5次谐波对TSC装置工作的影响,补偿回路中配备电抗率为7%的电抗器,各相电容补偿容量为30 kvar,额定电压为480 V。图3为忽略谐波影响时TSC装置中某一补偿回路在1.0 s B相发生缺相时的电流仿真波形。表1为实际测量的TSC装置在正常工作和故障(缺相)运行时的实际数据(包括电流幅值Im、相位φ、有功功率P、无功功率Q)。

由图3和表1可知,在1.0 s之前未发生缺项时,三相电流平衡,相差120°,此时各相电流与电压之间基本成90°,因此各相有功功率绝对值相加后总有功功率较小,为0.36 kW;在1.0 s发生缺相运行时,A、B相的电流相位发生变化,从而导致总有功功率较大,为4.91 kW。因此,通过有功功率不平衡保护方法可以迅速地进行判定,从而实现保护动作。因此,所提出的有功功率不平衡方法可以对TSC装置进行快速、可靠的保护。

4 结论

新型的功率不平衡保护方法检测硬件电路简单,只需要对一套TSC装置总的电流与系统电压进行测量,然后通过计算判断有功功率是否平衡就可以对该套TSC装置进行故障判定进而实施保护。该保护方法整定简单,通过整定计算就可以确定保护定值。目前该保护方法已应用在数套中、低压TSC装置,现场运行可靠。

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抽油机采用功率平衡标准实现节能篇6

关键词：抽油机,电流平衡,功率平衡,节电

1 前言

早期采油厂在游梁抽油机管理中采用平衡标准是“电流平衡”, 即抽油机下冲程最大电流与上冲程最大电流之比, 认为此值在8 0%~1 2 0%之间抽油机就是平衡的。其实, 电流平衡并不一定能保证抽油机真正平衡, 存在虚假平衡问题, 可能导致抽油机运行过程中耗电量增多、各部件受力不匀、减速箱磨损加快, 减少了使用寿命。

真正判断游梁抽油机平衡的标准是“功率平衡”, 即抽油机运行过程中, 下冲程内电机平均功率与上冲程内电机平均功率相等。抽油机功率平衡即能实现节能目的, 又能保证抽油机安全运行。

2 抽油机平衡标准

2.1 目前使用平衡标准

2 0 0 0年石油工业出版社出版的《石油工业节能技术》及2 0 0 2年石油大学出版社出版的《提高抽油机井系统效率技术》中抽油机平衡度的标准是:

目前这个抽油机平衡度标准为胜利油田及全国各油田所采用。

2.2 部颁《SY/T 5044-2003》标准

2.2.1 抽油机的平衡

抽油机的平衡可采用“平衡电流法”或“平均功率法”调整。“平衡电流法”调整平衡时, 应使上、下冲程的最大电流差值小于最大电流的1 5%。最大电流值不应超过电动机的额定电流值。

2.2.2 抽油机的平衡计算

调整抽油机的平衡, 可根据下述三个原则中的一个原则来计算。

上、下冲程电动机作功相等;上、下冲程中减速器曲柄轴的最大净扭矩相等;使减速器曲柄轴瞬时切线力与平均切线力的偏差平方和最小。

部颁《SY/T5044-2003》标准中提到了平衡电流法及平均功率法两种平衡标准及平衡计算方法, 这不仅标准的定义模棱两可, 而且造成了操作的难度。该标准平衡计算方法第一条:上、下冲程作功相等, 涉及到了功率平衡的概念, 但该标准与功率平衡仍有区别, 且未能详细阐述功率平衡计算方法及实施方法。

3 功率平衡技术原理

3.1 抽油机功率平衡概念:

3.2 测试原理

功率平衡技术以抽油机最节能和最安全为标准, 对抽油机功率曲线进行付立叶分解, 求出不平衡功率——功率曲线中的一阶正弦分量。计算出最佳平衡调整量, 使之正好抵消不平衡功率, 使均方根功率最小, 也就是均方根扭矩最小, 抽油机最安全, 电机发热量最少。

实际上, 抽油机平衡调整的终极目的有两个, 一是保证抽油机安全运行, 二是节能。

从保证抽油机安全运行的角度看, 调平衡就是要使减速器的输出扭矩最小。由于减速器的扭矩有正有负, 仅用平均值TP不能反映实际的载荷大小, 所以一般用均方根扭矩Tf来反映减速器的载荷情况。均方根扭矩TF与平均扭矩TP之比称为周期载荷系数FC L, 它反映了载荷扭矩的波动程度, 此值越接近1说明载荷扭矩越平稳, 越大说明载荷扭矩波动得越厉害。均方根扭矩、平均扭矩TP及周期载荷系数FC L均按曲柄旋转一周 (2π) 计算, 公式如下:

上式中Ti瞬时扭矩, 单位为k N.m;Φ为曲柄转角, 单位为弧度 (rad) 。

从节能的角度看, 对于一台具体的抽油机而言, 机械传动损耗与电机的固定损耗是相对不变的, 只有电机的变动损耗与电流的平方成正比。要使抽油机最节能, 就是要使电机的变动损耗最小, 也就是均方根电流最小。对于一台具体的电动机, 电流的大小只取决于其负载扭矩, 只有保证电机的负载扭矩的均方根值最小, 才能保证电流的均方根值最小。而电机的负载扭矩T2 i与曲柄轴扭矩Ti大体成比例关系, 二者关系如公式 (4) 所示:

式中n是从电机轴到曲柄输出轴的总减速比, μc是从电机轴到曲柄轴的传动效率。

从上面的分析可以看出, 只要保证曲柄扭矩的均方根值最小, 就能保证电机负载扭矩均方根值及电机电流的均方根值最小。平衡调整对抽油机的安全运行与节能这两个目标的作用是一致的, 只要能保证抽油机最节能, 就同时保证了抽油机最安全, 反之亦然。

由于电机的负载扭矩不易测量, 但电机的功率是易于测量的。常规电机的转差不大, 转速变化很小, 在这种情况下, 可以认为电机转速及曲柄轴角速度是一个常数, 曲柄转矩与电机输入功率大体成正比。所以本文提出抽油机最佳平衡的标准就是使电机输入功率的均方根值最小。

公式 (5) 中T i是瞬时曲柄扭矩, 单位是k N.m;P i是瞬时电机输入功率, 单位是k W;μd是电机效率;μc是皮带及减速器的传动效率;ω是曲柄角速度, 单位为弧度/秒 (r a d/s) 。

3.3 功率平衡与电流平衡的区别

功率平衡能够保证电机输入功率的均方根值最小, 使电机的损耗达到最低, 从而实现节电效果。而电流平衡无法实现这一要求。

4 现场试验

4.1 抽油机井功率平衡现场调整试验

2 0 0 8年7月, 胜利油田在桩西采油厂进行了功率调平衡试验, 选取了1 9口抽油机井进行功率平衡度调整, 并在调整前后利用油井监控对调平衡井进行了对比分析 (见表1) 。

4.2 试验结果

现场共调整功率平衡度1 9井次, 其中1 8口节电, 1口井耗电。1 9口井日节电4 5 0.3 k W h, 平均单井日节电2 3.7 k W h, 节电率为9.6 8%。调整后功率因数也有了一定的提高, 平均功率因数从0.7 1提高到0.72。

4.3 推广情况

从2 0 0 8年8月开始, 在全厂范围内开展了抽油机功率平衡度调整工作。首先利用油井自动化监控数据筛选出功率不平衡井, 然后现场测试并记录平衡块数据, 分析计算出平衡块调整量及调整幅度, 最终出具抽油机功率平衡调整方案, 然后进行实施。

2 0 0 8年, 对全厂1 1 8口油井进行了功率平衡的调整, 取得了较好的效果。调整后平均功率因数由0.67上升至0.68, 平均功率平衡度为95.3%, 日节电2 5 2 8.2 k W h, 平均单日节电2 1.4 k W h, 平均节电率9.9 0%。

调整功率平衡后, 改善了减速箱及曲柄销的受力状况, 延长了减速箱及电机的使用寿命, 每年可节约部分油井维护材料费用。

5 几点结论

(1) 由试验结果可以看出, 功率调平衡试验取得了良好效果。功率调平衡后最高节电率可达2 5.9%左右, 平均节电率约为1 0%左右。

(2) 功率调平衡后电机及减速箱振动及噪音也有了明显下降, 减少了电机及减速箱的磨损, 延长了其使用寿命, 减少了抽油机的维护费用。

(3) 从抽油机功率平衡调整效果分析, 抽油机功率平衡度以5 0%~1 5 0%为最佳。

(4) 功率调平衡不需要资金投入, 简单易操作, 节能效果好。

参考文献

[1]俞伯炎, 等.石油工业节能技术.北京:石油工业出版社, 2000

功率平衡法论文篇7

随着经济的快速发展, 电能质量问题越来越突出, 在低压三相三线或者三相四线供配电网, 存在着严重的电能质量问题:三相功率不平衡、无功问题, 这些电能质量问题已经严重影响了电力配网系统供电的可靠性以及用电安全。低压配电网存在的三相功率不平衡问题, 将导致变压器出力不足, 线损增大, 变压器损耗增大, 甚至变压器烧毁;无功问题导致无功消耗大, 功率因数低, 线损率高;有源功率平衡装置针对电力配网系统电能质量问题进行治理, 实现三相功率平衡, 对于三相四线制配电系统, 实现三相功率平衡的同时, 消除零线电流, 补偿无功, 提高功率因数, 降低线路损耗。

一直以来, 配电网中解决三相不平衡问题主要依靠人为经验。工作人员通过观测台区变压器出线端三相电流大小来判断不平衡电流, 然而中性线电流往往被忽视, 造成较大的电能损失。随着国家对节能的要求以及人民群众对用电可靠性的要求不断提高, 需要对电力配网中存在的三相功率不平衡问题进行更加深入的分析, 同时采用先进的技术手段, 尽可能减少人为参与因素, 解决三相功率不平衡问题。

2 理论分析和仿真

由于配电网中功率的不平衡是由负载电流中的负序分量和零序分量叠加在正序分量上造成的。为了使功率平衡, 就要把这些不平衡分量从总电流中提取出来。首先利用对称分量法, 将测量的三相负载电流由相分量变换为序分量, 得到需要补偿的负序分量电流和零序分量电流的值。

有源功率平衡装置, 采用先进的电力电子技术, 通过智能化控制方式, 自动平衡三相功率 (包括平衡有功功率及无功功率) , 同时消除中性线的基波电流以及零序谐波电流, 从而解决电力配网的三相不平衡问题, 无功消耗大功率因数低问题, 同时实现降低线路损耗、提高输电能力、提高电网的可靠性。在实施上, 主要是通过在台区变压器低压配电网配电线路上安装有源功率平衡装置, 优化配电网络三相功率平衡、补偿无功, 提高功率因数, 消除零线电流, 起到降低线路损耗以及提高配电网络可靠性的目标。

3 补偿无功和不平衡

补偿负载无功电流时的等效电路图如图1所示。图中下标p和q分别表示有功分量与无功分量。

通过仿真验证补偿无功以及三相电流不平衡补偿:

负荷使用单相电阻负荷, 0.1s负荷开始运行, 0.2s有源功率平衡装置开始工作,

0.2~0.3s补偿负序电流, 0.3s开始负序、零序全补偿。

通过以上仿真, 在投入有源功率平衡装置之前, 负载三相电流不平衡, 三相电流相位不再呈现互差120°, 而且N线电流大, 有源功率平衡装置投入运行以后, 三相电流平衡, 而且三相电流相位互差120°, 消除了N线电流, 有效实现了电力配网三相不平衡问题。

4 应用案例

某供电公司低压配电台区, 台区距变电站10KV线路长度为2.2km, 10KV主干线路型号为LGJ-35。该台区配变容量为200k VA, 供电用户总数188户, 低压供电半径800m, 低压主干线缆型号为LGJ35-50。2013年度, 台区最大负荷时刻电流值分别为111A (A相) 、150A (B相) 、221A (C相) 、91A (零相) , 存在严重的三相电流不平衡现象、较大N线电流, 无功消耗导致功率因数为0.7~0.8。为解决该台区电能质量问题, 以往需要每半个月去台区测试并调配三相负荷, 但由于农村居民用电存在着较大的不确定性, 通过调配负荷的方式难以解决三相不平衡问题, 另外电力配网N线电流 (零序电流, 导致N线电流增大, 增加线损, 给电力配网带来了安全风险) 目前还缺乏相应的解决措施。

为彻底解决该台区的三相电流不平衡、无功以及N线电流问题, 本次安装了WSPB-50/0.4有源功率平衡装置, 该装置安装于台区低压配电柜旁电杆上, 并联接入配电线路。

设备投运前后的数据对比如表1所示。

具体治理前后的配电网测试数据见图2、图3所示。

5 结论

通过仿真分析以及实际应用案例, 应用有功功率平衡装置, 对于配网电能质量问题治理效果良好, 三相不平衡度由60.6%降低到1.90%, 功率因数由0.8185提高到0.953, 治理效果明显取得了良好的社会效益和经济效益。

摘要：随着国民经济的快速发展, 电力配网系统的电能质量问题越发突出。电力配网多为单相负荷, 运行时间上的差异性以及负荷分布不均匀均会导致三相功率不平衡;有源功率平衡装置, 采用先进的控制策略, 在低压配电台区应用, 能够有效改善电力配网存在的三相不平衡问题。该装置不仅使不平衡度降低明显, 同时可消除零线电流, 具有良好的技术效应和经济效应。

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