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1、电能质量综合优化装置(MEC)及在油田钻机平台的应用摘要：在石油、天然气、页岩气等化石燃料开采过程中，会消耗大量的能源，其生产过程中所消耗的能源成本，在企业总成本中占有极大的比重。近儿年在我国钻井勘探作业中，为减少柴油消耗量，已经逐步推广中使用了网电钻井设备，取得了显著的经济、社会效益。然而，由于电驱动钻井设备工作时，功率因数普遍较低、谐波含量大，且属于频繁冲击性载荷，加之钻探作业点普遍远离变电站，线路传输距离长，电网脆弱，抗冲击能力差，因此网电钻井设备需要高性能的就地电能质量治理。本文所述的电能质量综合优化装置MEC(MultifunctionElectricityController&Op
2、timizer),具有无功功率补偿、谐波滤除、平衡三相电流、稳定电网电压、抑制电网闪变等诸多功能，响应时间小于2ms,可解决传统并联电容电抗器或SVC的很多固有缺陷，很好的满足网电钻井系统的应用要求。关键词：MEC,电能质量综合优化装置，网电钻井系统一、前言在石油、天然气、页岩气等化石燃料开采过程中，会消耗大量的能源，其生产过程中所消耗的能源成本，在企业总成本中占有极大的比重。尤其是在钻井勘探中，会消耗大量能源。网电电动钻机系统是指电动钻机在钻井施工过程中不用自配的大功率发电机组发电，而使用地方的网电经过变压器把高压电变换成井队需要电压来驱动井队的所有设备,井队自配的发电机作为网电停电后临时发
3、电的备用电源。传统柴油发电机发电驱动的钻井系统，发电机效率低，要消耗大量柴油，并排放大量的废气污染环境，噪声大，所发每度电的成本很高。而用电网直接供电，其电力可以来源于水力发电、火力发电、核能发电、风力、太阳能发电，每度电成本远低于柴油发电机组，且污染小，特别是水力、风力、太阳能等新能源发电系统，基本没有污染，为可再生能源。因此用网电作为钻井系统动力，能节省大量的柴油，降低钻井成本、保护环境、消除井队噪音等优点，并能取得良好的经济效益和社会效益。二、网电电动钻机系统的电能质量问题我国供电部门对公共电网接入设备的电气参数有详细要求，尤其是对功率因数指标和注入电网的高次谐波电流，都有明确规定：表一
4、以0.90为标准值的功率因数调整电费表减收电费噌收电费实际功率因数月电费减少N实际功率因数月电费增加N实际功率因数月电费增加N0.903.0.89-3.757.50.910.15D.88100.748.00.92D.300.87-。738.50.930.450.862。0.729.00.94D.600.852.50.719.50.95,1.00D.750.84300.7010.0D.833.50.6911.00.824。0.6812.00.81450.6713.00.805.。0.6614.00.790.6515.00.78-功率因数自064及以下，每降低0.01电费增加2N0.77-0.76
5、7.GB/T145497993电能质量公用电网谐波中的谐波具体数值:表二A：标称电压基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A2345678910Il12130.38IO7862396226441921162813246100433421341424IlIl8.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.76650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0IIO700129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.7表二B：标称电
6、压基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1146.51261006.16.85.3104.79.0434.93.97.43.66.8IO1003.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1352502.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.5665002.32.62.03.8L83.41.61.91.52.81.42.6IlO7001.71.9).52.81.32.51.21.41.12.11.01.9按表一数据可知，当功率因数为0
7、.9时，按标准电价收费，当功率因数为0.7时，每度电费增加10%,当功率因数为0.6时，每度电费增加25%,因此，提高用电设备功率因数,对高耗电量企业至关重要。同时，根据表二可知，我国国标也对不同电压等级的用电设备电流谐波进行了明确的规定。井队在施工过程中，根据钻井工艺要求，绞车、转盘和泥浆泵经常需要变速，直流电动机驱动设备时采用恒转矩调压调速，经过可控硅装置整流输出的直流电压不断变化，直流电动机经常在低速或中转速状况下运行，电网容量利用率低，功率因数平均在0.65左右，远远达不到供电部门的要求。同时电动机调速设备变频器及整流器，在运行过程中会产生大量谐波，无法达到国标的规定，并且会对其他钻井
8、设备的安全可靠运行造成影响。例如，可控硅装置在整流过程中，会产生许多高次谐波，其总谐波电流含量甚至可超过50%,造成井队的电动机、电脑、空调等其他电气设备在运转时温度升高、噪音增加、效率下降，甚至烧坏电气设备。同时高次谐波会传播到电网各个地方造成严重的污染，电网中其它地方用电设备如电动机、电脑也会出现同样的问题。由于钻井设备普遍分布于偏远地区，这些地区一般情况下电网容量较小，电网传输距离远，线路阻抗大，采用公共电网供电的钻井系统，由于自身产生很大无功功率，并向电网注入大量高谐波含量的电流，会进一步恶化电网运行质量，造成电网电压波动，电压发生畸变,并出现电网电压闪变，对该电网接入的其他用电设备造
9、成很大的安全隐患。因此，很好的解决电网供电的钻井系统的电能质量问题，不但能降低钻井作业电费，能提高钻井设备的运行可靠性，也能对供电电网的安全运行起到积极作用。三、电能质量综合优化装置（MEC）介绍目前国内网电钻井系统的电能质量治理，仍有不少采用无源型无功补偿装置，其中绝大多数采用并联电容电抗器投切方式（TSC）,也有少量采用可控硅平衡电抗器调节方式（SVC）,这些传统型无功补偿设备，在网电钻井系统实际应用中，出现了很多问题，主要归纳如下：1：无功功率调节响应速度慢网电钻井系统的主要负载一交流、直流调速电动机，谐波含量大，功率因数低，在下钻、提钻时，负载有功、无功电流均会大幅度瞬间波动，即使在正
10、常钻探过程中，由于地质状况原因，也会造成负载的瞬间大幅度波动，而传统无功补偿设备响应时间最快20mS,稳定时间可长1S,因此难以实时跟踪补偿，造成电网电压波动，甚至由于电容电抗器参数匹配问题，会由于负载波动而产生震荡，从而进一步加剧电网电压波动。2：容量衰减快、运行寿命短目前传统IKV以下无功补偿装置一般均采用干式自愈式并联电容器，与油侵式电容器相比，这种电容具有体积小、无泄漏等许多优点，但其缺点是容量衰减快、寿命较短。因为自愈式电容其介质采用单层聚丙烯膜，表面蒸镀了一层很薄的金属作为导电极。电容自愈时，金属化镀层面积消失约儿亳米直径，电容器容量会不断减少。早期镀层金属采用AL,运行中电容的容
11、量下降很快。后来采用稳定性相对较好的Zn-AL合金及边缘加厚等新技术，电容器使用中容量的衰减大大减小。但在实际使用中，由于受用环境、负载情况等各方面因素的影响，据调查每年容量的下降达5%左右，如果长期满负荷运行或电网谐波干扰大时，甚至超过10%即使是少数采用稳定性的ZrAg合金的电容器，受使用条件的影响，每年容量仍会有不同程度的衰减，进口电容寿命一般约为8T0年，国内生产的大约为6-8年。如果设计时不考虑容袁减带来的影响，补偿柜在使用一段时间后就会出现补偿容量不够的情况。但是由于容量衰减是个动态的过程，且受运行工况影响很大，用户对于是否更换，何时更换电容很难把握，致使检修、维护费用很高。3：易
12、发生谐振传统无源型无功补偿装置，尤其是并联电容电抗器投切方式(TSC),设计时，需要与电网、负载参数准确匹配，以避免发生LC谐振，这方面业内也积累了很多经验。然而，由于用户负载及电网特性改变、电容器容量衰减等实际情况，会对传统无源型无功补偿装置的长期稳定运行带来很大困难。4：装置体积大用于网电钻井系统的配电及电能质量治理装置，一般均设计成移动式集装箱结构，便于运输及转运，这要求内置设备体积、重量都应尽可能小，在标准集装箱宽度时，应尽可能短,以方便公路尤其是山路拖运。传统无源型无功补偿装置体积大、重量重，占用很大的空间位置，尤其构成的网电钻井系统的配电集装箱，长度甚至达13米，非常不利于钻井施工
13、的野外坏境运输。5：无法同时适应网电供电及柴油发电机供电一般网电钻机系统都会配备至少一台应急柴油发电机组，以备电网断电或配电设备发生故障时继续向钻机提供电力。使用柴油发电机组供电时，发电机组工作频率稳定性差，尤其是负载大幅度波动时，发电机输出频率也会有大幅度变化，当使用传统无源型无功补偿装置时，则难以同时跟踪频率、负载的变化，并由于频率变化致使工作点偏移，易产生过载或谐振毁坏补偿装置。电能质量综合优化装置MEC(MultifunctionElectricityController&Optimizer),是近年来现代电能质量控制技术的最新应用，其采用电力电子技术及控制算法软件，实时检测网路及负载
14、电气参数，并驱动大功率半导体器件，实现电能质量治理的目的。其电路结构及原理如图1所示：0.6kV配电网图1电能质量综合优化装置(MEC)电路结构MEC产品主电路硬件核心部分是三相三线或三相四线逆变桥电路,采用PWM空间矢量控制，并联连接在网电钻机0.6kV配电网线路上，其等效为一个输出电压、电流、相位可调的电压电流源，可向电网发出或者吸收无功电流，并可输出叠加有高频成分的电流波形，以抵消电网线路中的高次谐波。MEC产品的主控电路核心为32为浮点运算DSP芯片，控制软件出厂时已下载于芯片内部，在现场应用时不需要任何调整。MEC产品包含有一个液晶显示，用于在安装维护时的设备参数设置，运行状态显示，
15、历史记录读取等。电能质量综合优化装置MEC并联于网电钻机0.6kV低压配电网，将根据电网状态及设置，自动实现无功补偿、谐波滤除、三相电流不对称度矫正、电压闪变消除等功能。电能质量综合优化装置MEC,可完美解决目前网电钻井系统低压配电网所存在一系列问题，如无功及线路损耗问题，负载高次谐波及干扰、三相电流不对称、电压闪变等问题、电网终端电压波动等问题，其具有如下功能：1：快速响应的动态无功补偿，响应时间小于2ms,实时、自动、连续向配电网提供或吸收容性无功，释放系统容量，提高线路供电能力。可使电网运行于设定的功率因数，可精确补偿电网无功至功率因数为1,也可根据设定，向电网提供额外无功，以补偿电网上
16、端IOkV侧线路所需要的无功功率。2：滤除电网高次谐波，可有效滤除低压配电网占绝大多数比例的2T3次谐波，消除谐波对网路上临近设备造成的干扰，并降低由于谐波所造成的线路及变压器电能损耗。3：电压闪变抑制，可有效消除/削弱低压电网由于雷击、瞬间短路、合闸、重型负载启动等等原因造成的电网电压突升、突降问题，最大限度避免因电压闪变对电网中用电设备及用户所造成的损失。4：稳定配电网的运行电压，抑制电网电压的大幅度波动，避免由于电网电压波动而对用电设备及用户造成损失，并降低由于电压过高而产生的额外电能浪费。5：有效消除配电网三相电流不平衡问题，改善电网IOkV变压器运行工况，提高变压器运行安全性，并降低
17、由此带来的变压器损耗。6：补偿配电网零线电流，使变压器运行于对称工况，提高变压器安全性能，并降低损耗。7：由于MEC工作于有源主动电流输出方式，因此不存在无源型无功补偿装置易谐振并造成损坏的缺点。8：无交流电容器容量衰减问题，运行安全可靠，正常使用时，无需定期检修，属于免维护设备，运行设计使用寿命超过20年。四、电能质量综合优化装置（MEC）油田网电钻机平台的应用新疆某80DB钻井平台实施油改电项目，从当地供电部门接入IokV母线，通过额定容量为6300kVA,额定电压比为IOkV0.6kV的主变压器，提供井队所有电力需求。0.6kV主要为变频器，钻机顶驱等生产负载设备提供动力，同时，通过一台
18、06kV0.4kV变压器，为井队生活用电以及小容量负教供电。其供电系统线路如图2所示，该油改电项目采用了新能动力（北京）电气科技公司的MEC产品NMEO6-2100EDF,其主要参数为：额定电压:600V20%；额定电流：2021A：额定容量：2100Kvan外形尺寸:26008002200(LXWXH)：IOOV负荷钻机负荷图2MEC网电钻机应用线路图在钻机正常施工过程中，对MEC投入及切出状况进行了实时对比测试，所用测试仪器为：HI0KI-PW3197电能质量分析仪、CT9667柔性电流钳、LlOOO电压线；测量位置为IOkV0.6kV的主变压器低压侧；测量方式为三相三线两表(3P3W2M
19、)法。实测结果表明，不加MEC时，现场用电综合功率因数在0.75-0.92之间波动；变频器及整流器工作过程中造成的很大谐波电流，在150OA工作电流时，电流谐波总含量12213%,电压总谐波含量为10%-ll%;当钻机转矩突变，负载电流波动剧烈时，会造成电压波动，其范围在AC550V-AC630V,经常造成井队其他设备故障停机。实测电能质量波形及数据如图3-图5所示：ui91iVIl1.561kAPsuiiIL440MW591.2V1542kA.电压倍率电流倍率时间轴.京叶图3MEC投入前电压电流波形Jf-S-设定3P3W2M5kA600V二0.90.005k0.000M3080.010k0.
20、000M40.80.003k0.000M550.60.183kr0006MI61.20.002k-0.008M719.10043k0.00M80.60.001k!-0.08M90.70.003k-0.00M100.60.001k：-0.000M1119.60.037k-0.000M12090.001k-0.000M1316.30.020k0.000M140.60.001k-0.000M151-10.002k0.000M160.70.01k10.000M179.60.012kr0.000M藤/列表选择-l次数保持fHDlX11、UVIIA1Pm14T547k0.554THD2XiTTTHD3X-
21、10L8j图4MEC投入前电东电流谐波情况DMMR飞时而3P3W2MI5kA;600V;50.04Hz,UmsVpeak+VPeabMTHDX,chlI.58918.9k1-0.787k11.1Ich2587.80.787k-0.788k11.2j59f.2-0826k-0827k10.8rmsApeak+Apeak-AITHDX*1.561k,22孤-226k12.61.547k2.25k，?2%12.611.542k2.26k1-2.25k,13.0图5MEC投入前各相电能数据投入NMEO6-210OEDF补偿后，功率因数大于0.98,且运行情况稳定，功率因数无突变,电压畸变率小于5轨电流
22、谐波总含量小于7%,同时由于MEe响应速度快，能够很大程度抑制由负载突变引起的电压波动与闪变，其波动范围在AC585VAC612V之间，稳定度大大提高。具体实测电能质量波形及数据如图6-图8所示:Ul6135VIl1415kAPsum1.464MWl!6172Vlj54kA电压倍率电流倍率时间釉保持图6MEC投入后电流电东波形3P3W2Ml5kA 600V； 5.03HzUV 11 A P m 1 bl 1.4 i.401k 0.738M 20.7 0.004k 0.00M31.1.015k0.0M40.70.006k0.00M517.0.039k-0：004M61.00.004k0.000M
23、74.0.15k.000M8.70.02k 0.000M-9 %方 0.004k-0：000M8.6045.3300.40.002k0.000M0：013k 0.000M0.002k( 0：000M 0.017k-0：000M 0.001k 0；000M 0.002k-0.000MICHlTHDlX 3：3THD2XJ.4THD3X3.26711H4 0.001k 0.000M4.91 0.006k,-0000M因表/列表的5f保持一I图7MEC投入后电压电流谐波情况IVlEWDMM.罂召檄mI设定3P3W2M5kA600VHzUmsVpeak+Vpeak-VTHDX33ICh26147.&8
24、29k*0830k134Ch3617.20856k-0857kIrnsApeak+Apeak-AITHDX5Ch2142k2.17kA-217kMTTjCh31354k211k-21U7PWSVAQvarPF0.868M氏469M氏841Ch2.733MJ0.S62M-9.452M-S51Ch30015m0835M,0.83514,0.018sum1.464M1.481M8.225M.988UaveVIaveA6156L398MKFJITHD保持图8MEC投入后各相电能数据五、结论网电钻机系统是钻井企业发展的方向，其在节能减排、环境保护方面效果非常显著，然而，由于钻井施工多处于偏远地区，电网容量小，系统脆弱，而电动钻井设备却是高谐波、低功率因数的冲击性负载，因此解决网电钻井系统的电能质量问题至关重要。实践表明，在网电钻机系统中，加入电能质量综合优化装置(MEC)后，可极大改善网电钻机系统的电能质量问题，并可完全解决传统无源型无功补偿装置所存在一系列问题，保障了网电钻机系统施工过程中的设备的安全、可靠性，极大的减少设备维护工作量，提高工作生产效率。
