Технические решения и дизайн современной компенсированной преобразовательной подстанции нефтегазодобывающего комплекса

Большое и все возрастающее влияние нефтегазодобывающего комплекса на экономику России общеизвестно. Эффективность работы самого комплекса во многом определяется техническими решениями, принятыми при построении систем электроснабжения (СЭС) буровых установок. Наиболее распространенные СЭС с приводом постоянного тока имеют ряд существенных недостатков, в числе которых а) значительное потребление реактивной мощности и б) повышенный уровень гармонического воздействия на все оборудование сети переменного тока. В результате - неудовлетворительное качество и дополнительные потери электрической энергии в СЭС. Существенным является и то, что указанные недостатки ограничивают возможную длину линий переменного тока, связывающих питающие подстанции с буро- выми установками. Это, в свою очередь, приводит к необходимости сооружения большого числа дорогостоящих питающих подстанций.

В соответствии с общей тенденцией широкого применения электрической энергии переменного тока непромышленной частоты во всех отраслях народного хозяйства (гибкие линии электропередач переменного тока, технологические установки различного назначения, частотно-управляемый электропривод и др.) СЭС нефтегазодобывающего комплекса начинают строить с использованием преобразователей частоты, питающих асинхронные двигатели главных (буровые насосы, лебедка, ротор) и вспомогательных механизмов буровых установок [1].

Такое решение позволяет снизить потребляемую реактивную мощность, повысить качество электрической энергии в сети, упростить привод за счет использования простой асинхронной машины, улучшить динамику и качество поддержания технологических параметров буровой установки. Однако и в этом случае ряд характеристик СЭС требует дальнейшего совершенствования. Сюда, прежде всего, следует отнести необходимость практически полной компенсации реактивной мощности и доведения коэффициента искажения напряжения сети переменного тока СЭС до требования ГОСТ 13109-97, что позволяет дополнительно снизить потери электрической энергии, а также существенно увеличить возможную длину линий переменного тока от питающей подстанции до буровых установок. *

Указанным требованиям отвечает предлагаемая компенсированная преобразовательная подстанция, принципиальная схема одного из вариантов которой представлена на рис. 1. Она содержит подключенный к питающей сети переменного тока 1 двенадцатифазный компенсированный диодный выпрямитель 2, состоящий из преобразовательного трансформатора 3, выпрямительных мостов 4 и 5 и компенсирующего устройства 6 [2], а также распределительное устройство 7 в виде шин постоянного тока 8 и коммутационной аппаратуры 9, с помощью которой к шинам постоянного тока 8 подключаются п автономных инверторов 10, питающих потребителей переменного тока (асинхронные двигатели) Ис частотами напряжения /1, fi^-^fn • ® предлагаемой СЭС инверторы выполнены по схемам автономных инверторов напряжения с предвключенными блоками тормозных резисторов. Блок тормозного резистора представляет собой последовательно соединенную цепочку из электронного ключа и активного сопротивления, подключенную к входу автономного инвертора. В случае когда потребители переменного то ка 11 территориально удалены от выпрямителя 2, подключение распределительного устройства 7 к выпрямителю 2 выполняется посредством линии электропередачи постоянного тока.

Одним из наиболее эффективных способов нормализации гармонического воздействия устройств энергетической электроники на питающую сеть является переход на повышенную фазность преобразования. С этой целью в предлагаемой подстанции используется двенадцатифазный выпрямитель (при необходимости может использоваться преобразователь и большей фазности). Двенадцатифазные выпрямители строятся на основе двух шестифазных блоков, коммутационные процессы в вентилях которых сдвинуты на 30 эл. град. Гармоники 5 и 7, 17 и 19 входных токов блоков замыкаются внутри двенадцатифазных преобразователей и, создавая дополнительные потери электрической энергии, в обычных некомпенсированных выпрямителях не совершают полезной работы. Для активизации деятельности этих гармоник в выпрямитель 2 включается компенсирующее устройство 6. На конденсаторах этого устройства создаются напряжения соответствующих гармоник, осуществляющие опережающую искусственную коммутацию вентилей выпрямительных мостов 4 и 5. В результате компенсированная преобразовательная подстанция приобретает целый ряд отмеченных ниже положительных свойств. Электромагнитные процессы, связанные с работой компенсированного выпрямительного агрегата, отражены на рис. 2 (здесь и далее тонкими линиями показаны диаграммы напряжений, а жирными- тока; приводимые ниже результаты исследований получены путем моделирования СЭС в пакете MATLAB 7.5).

Автономными инверторами напряжения 10, питаемыми от шин постоянного тока 8 распреде-

Рис. 1. Принципиальная схема компенсированной преобразовательной подстанции

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов в компенсированном выпрямителе

лительного устройства 7, создаются переменные напряжения необходимой регулируемой частоты на потребителях 11с применением синусоидальной широтно-импульсной модуляции (см. рис. 1). Для примера на рис. 3 приведены временные диаграммы напряжений и токов для двух потребителей, работающих на частотах 100 и 50 Гц.

Покажем основные преимущества предлагаемой компенсированной преобразовательной подстанции в условиях работы нефтегазодобывающего комплекса. Прежде всего, оценим ее воздействие на питающую сеть переменного тока. Как видно из диаграмм напряжения и тока на рис. 2, первые гармоники напряжения и тока сети совпадают по фазе, что говорит о полной компенсации реактивной мощности в питающей сети. Причем вследствие использования принципа последовательной компенсации, имеет место саморегулирование реактивной мощности, генерируемой устройством. Результатом этого является снижение потерь электрической энергии в сети и повышение жесткости внешней характеристики выпрямителя, т.е. поддержание выпрямленного напряжения на шинах 8 при изменениях потребляемого нагрузками 11 тока. Последнее, с одной стороны, обеспечивает указанное выше увеличение возможной длины линий переменного тока от питающей подстанции до преобразовательной подстанции буровой установки, а, с другой, улучшает работу автономных инверторов и питаемых ими потребителей.

Кривые сетевых напряжения и тока имеют форму, классическую для двенадцатифазного режима преобразования (см. рис. 2). Об этом же свидетельствуют результаты спектрального анализа сетевого напряжения, представленные на рис. 4. В напряжении и токе питающей сети исключаются 5 и 7, 17 и 19 и остальные гармоники с шагом 12, что существенно снижает гармоническое воздействие на сеть и повышает качество напряжения в СЭС.

Из рис. 2 и 5 следует, что неиспользуемые

Рис. 3. Временные диаграммы напряжений и токов потребителей переменного тока с частотами 100 и 50 Гц

в некомпенсированных преобразователях 5 и 7, 17 и 19 гармоники шестифазных блоков теперь нагружают конденсаторы компенсирующего устройства 6, т.е. совершают полезную работу, обеспечивая указанную выше полную компенсацию реактивной мощности в сети. Причем при работе компенсирующего устройства преимущественно на частотах 250 и 350 Гц оно имеет минимальную установленную мощность. Здесь наблюдается аналогичный эффект, который имеется в механическом редукторе - проигрывая в скорости, выигрываем в моменте. В нашем случае компенсирующее устройство работает на частотах 250 и 350 Гц, а компенсация реактивной мощности осуществляется в питающей сети, т.е. на частоте 50 Гц. Проигрывая на таком переходе по частоте, выигрываем по установленной мощности компенсирующего устройства.

Переменные напряжения потребителей 11 формируются использованием в автономных инверторах 10 синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Эти потребители получают возмож ность полноценного питания с различной регулируемой частотой напряжения. Об этом говорят временные диаграммы на рис. 3 и 6-9. Спектральные составы напряжения и тока потребителей 11 определяются первой гармоникой и массивами высокочастотных гармоник, сконцентрированных возле частот, кратных несущей частоте. На приведенных диаграммах несущая частота равна 10 000 Гц. Как видно из рис. 6-9, в кривых напряжения, имеющих ярко выраженный импульсный характер, коэффициент искажения синусоидальности существенно выше, чем в кривой тока. Индуктивная нагрузка, такая как асинхронный двигатель, является хорошим фильтром для высокочастотных гармоник. При создании СЭС данный эффект может быть использован. Однако при этом асинхронные машины должны иметь специальное исполнение. Использование обычных двигателей, рассчитанных на синусоидальный режим работы, возможно с применением предвключенных низкочастотных фильтров.

Voltage of power system

0,04 0,042 0.044 0.046 0.043 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06

Voltage of compensation battery

0.04 0.042 0.044 0.046 0.048 0.05 0.052 0.054 0.056 0.058 0.06

Time (st

Рис. 4. Спектр напряжения питающей сети

Рис. 5. Спектр напряжения на конденсаторной батарее

1ООО

Voltage of load 1

5OOI-

О

0.045

0.055

Time (s)

-500

O.O5 Time (s)

-1OOO 0.04

Рис. 6. Спектр напряжения на потребителе с частотой 100 Гц

Рис. 7. Спектр тока потребителя с частотой 100 Гц

Рис. 8. Спектр напряжения на потребителе с частотой 50 Гц

Fundamental (50Hz) =1149, THD= O.84°/o

Рис. 9. Спектр тока потребителя с частотой 50 Гц

К объектам электроэнергетики предъявляются высокие требования по дизайну. Некоторое представление о дизайне рассматриваемых преобразовательных подстанций дают фотографии (рис. 10-12). Дизайнерские решения подчинены возможности транспортировки подстанций автомобильным, морским и железнодорожным транспортом, минимальным срокам и затратам при введении оборудования в эксплуатацию, надежности и удобству управления буровыми установками, а также высокой ремонтопригодности. Поэтому преобразовательные подстанции разрабатываются в виде законченных программно-технических комплексов в блочно-модульном исполнении. Электрооборудование подстанции размещается в специальном контейнере (рис. 10). Контейнер изготавливается в климатическом исполне-

Рис. 10. Общий вид контейнера

Рис. 11. Дизайн внутреннего пространства контейнера

Рис. 12. Дизайн компоновки основного оборудования

нии УХЛ1 по ГОСТ 15150-69. Он оснащен системой регулирования температуры. Температура внутри контейнера поддерживается в диапазоне от +10 до +40 °C при изменении внешней температуры от -50 до +45 °C. Контейнер комплектуется системами: освещения, обогрева, кондиционирования, связи и пожарной сигнализации. Габаритные размеры коридора обслуживания в контейнере и современный дизайн (рис. 11) полностью отвечают нормативным требованиям.