ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ И НАДЁЖНЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2019 года по МПК H02P5/74 H02P27/08 H02M7/68 F04D13/08 F04D15/00 

Изобретение относится к системе распределения и преобразования электроэнергии, может использоваться в качестве регулируемого электрического привода насосов кустов скважин, в том числе погружных электроцентробежных насосов, размещённых на одном кусте и предназначенных для подъёма из пласта на поверхность скважинной жидкости, содержащей нефть, а также для добычи воды из водоносных пластов и для закачки воды в продуктивные нефтяные пласты с целью поддержания пластового давления (ППД), также может использоваться в качестве регулируемого электрического привода механизмов буровой установки и для других механизмов. В качестве электродвигателей могут применяться асинхронные двигатели, синхронные двигатели, вентильные двигатели и двигатели постоянного тока. Изобретение направлено на повышение электромагнитной совместимости системы электроснабжения с регулируемым электроприводом и повышение энергетической эффективности и надежности системы электропривода.

С начала 2000-х годов на нефтяных месторождениях России началось активное применение регулируемого электропривода погружных установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), который позволяет плавно управлять технологическим процессом добычи нефти [1]. В настоящее время в России доля скважин с погружными насосами составляет 65% от эксплуатационного фонда нефтяных скважин, а на некоторых месторождениях может превышать 92% [2]. Существующие электротехнические комплексы механизированной добычи нефти имеют ряд существенных недостатков. Такие же недостатки встречаются и в электротехнических комплексах буровых установок, в системе ППД и др.

Известны стандартные схемы электротехнических комплексов механизированной добычи нефти с частотно-регулируемыми УЭЦН, указанные в [3, 4]. Частным случаем данных схем с одним регулируемым погружным электродвигателем (ПЭД) является изобретение [5], главным недостатком которого является возможность управления только одним ПЭД из всех электродвигателей куста скважин. Серьёзным недостатком вышеуказанных схем является низкий уровень электромагнитной совместимости из-за генерации системой электропривода, включающей в себя полупроводниковый выпрямитель и инвертор, высших гармоник тока и напряжения, как в систему электроснабжения, так и в линию питания электродвигателей, а также низкая энергоэффективность из-за наличия большого количества согласующего оборудования и дополнительных потерь энергии, связанными с высшими гармониками.

Так линия питания каждого отдельного ПЭД содержит элементы, функция большей части которых заключается только в согласовании параметров соседних элементов системы питания: понижающий трансформатор, входной фильтр, сетевой дроссель, шестипульсный выпрямитель, конденсаторы звена постоянного тока, инвертор, выходной фильтр, повышающий трансформатор [1, 4]. Таких линий на одном кусте может быть 20 и более, каждый элемент такой линии имеет свой коэффициент полезного действия (КПД), который всегда меньше единицы, и таким образом, уменьшает КПД всей системы в целом [4]. Обычно такие линии электроснабжения ПЭД выполняются на напряжении 0,4 кВ, в то время как ПЭД получают питание через повышающие трансформаторы на напряжении свыше 1 кВ, до 3-4 кВ, таким образом, на кусте скважин напряжение трансформируется несколько раз: понижается с 6 (10) кВ, иногда с 35 кВ, до 0,4 кВ, затем преобразуется в напряжение необходимой частоты и величины, затем дополнительно повышается до уровня, необходимого для подачи питания на ПЭД по длинному кабелю. Преобразование напряжения на уровне 0,4 кВ за счет больших токов менее эффективно, чем, если бы преобразование происходило без дополнительного изменения величины напряжения. Также большое количество последовательных преобразовательных элементов и трансформаторов снижают надежность линии электроснабжения ПЭД, так как выход из строя одного элемента линии приводит к остановке работы всей линии. Дополнительным фактором, отрицательно сказывающимся на надежности механизированной добычи нефти таким способом, является то, что из-за большого количества элементов в одной линии электроснабжения ПЭД и её большой протяженности, обычно данные линии располагаются на открытом воздухе, что затрудняет их техническое обслуживание и ремонт, особенно в холодные периоды года на промыслах Крайнего Севера и в Восточной Сибири.

Станции управления УЭЦН с регулируемым электроприводом из-за наличия в схеме неуправляемого выпрямителя являются источником высших гармоник тока для сети электроснабжения кустов скважин, которые в свою очередь являются причиной появления высших гармоник напряжения непосредственно у потребителей, в том числе в удаленных участках системы электроснабжения, на которых нет нелинейной нагрузки, на трансформаторных подстанциях и т.д. [6]. Показатели уровня высших гармоник напряжения в системе электроснабжения являются одними из важнейших показателей качества электроэнергии при определении уровня электромагнитной совместимости электрооборудования и системы электроснабжения в соответствии с ГОСТ 32144-2013 [7].

Канонический ряд высших гармоник тока станции управления УЭЦН с шестипульсным выпрямителем и их содержание можно определить по формулам:

(1)

где n - номер высшей гармоники, кратной основной частоте входного тока;

6 - пульсность выпрямителя, собранного по схеме Ларионова;

k - последовательность натуральных чисел.

(2)

где m - содержание гармоники входного тока выпрямителя, % от основной гармоники.

Суммарный коэффициент гармонических составляющих THD для высших гармоник тока для шестипульсного выпрямителя в соответствии с ГОСТ 30804.4.7 [8] дает значение более 31%.

Протекание токов высших гармоник в сетях электроснабжения кустов скважин приводит к дополнительным потерям на нагрев. При этом данные потери обычно не учитываются в общем КПД электротехнического комплекса механизированной добычи нефти. Действительный КПД электротехнического комплекса механизированной добычи нефти совместно с насосным агрегатом с учётом потерь в сети электроснабжения при применении регулируемых УЭЦН ниже на 5-10% [1].

Высшие гармоники тока и напряжения в сетях электроснабжения кустов нефтедобывающих скважин также оказывают серьёзное негативное влияние на срок службы электротехнического оборудования, значительно увеличивают аварийность системы электроснабжения и уменьшают наработку на отказ погружных двигателей в 2-4 раза, приводят к выходу из строя силовых трансформаторов, конденсаторов высокочастотной связи, батарей компенсаторов реактивной мощности, ложному срабатыванию релейной защиты и другим негативным последствиям низкой электромагнитной совместимости, что подробно рассматривается в [9].

Одно из решений, позволяющее сократить уровень высших гармоник тока, генерируемых в сеть электроснабжения, приведено в патенте на изобретение RU 2400917 C1 [10], из которого по пункту 1 известна компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии, содержащая компенсированный преобразователь частоты в виде компенсированного выпрямителя и автономного инвертора, к выходным выводам которого подключен потребитель электрической энергии переменного тока с частотой переменного напряжения f, отличающаяся тем, что к выходным выводам компенсированного выпрямителя подключено дополнительно введенное распределительное устройство, содержащее шины постоянного тока и коммутационную аппаратуру, с помощью которой к шинам постоянного тока входными выводами подключены автономный инвертор с потребителем электрической энергии переменного тока с частотой переменного напряжения f, n дополнительно введенных автономных инверторов с частотами напряжений на питаемых ими потребителях переменного тока f₁, f₂, …, f_n и потребитель постоянного тока.

Изобретение RU 2400917 C1 позволяет снизить уровень генерируемых высших гармоник тока в сеть электроснабжения, так как выпрямитель является уже двенадцатипульсным и, соответственно, для него справедлива следующая формула, описывающая канонический ряд гармоник:

(3)

Суммарный коэффициент гармонических составляющих THD для высших гармоник тока для двенадцатипульсного выпрямителя в соответствии с ГОСТ 30804.4.7 [8] дает значение менее 15,5%, таким образом, уровень генерируемых высших гармоник тока снижается более чем в 2 раза.

Также изобретение RU 2400917 C1 позволяет снизить количество согласующего оборудования, так как оно использует единые шины постоянного тока для всех автономных инверторов тока и напряжения.

Недостатком изобретения по патенту [10] является то, что оно рассчитано на определенную нагрузку, создаваемую разночастотными потребителями. Однако обычно нагрузка, в том числе на кусте нефтедобывающих скважин, является переменной: постоянно изменяется дебет скважин, отдельные скважины выводятся из работы или наоборот выводятся на рабочий режим, куст скважин может запускаться в работу со значительно меньшим количеством ПЭД, чем будет использоваться в основном периоде работы куста, например, в пятилетней перспективе, на которую обычно проектируется система электроснабжения. Необходимо, чтобы потребление мощности нагрузкой было согласовано с ёмкостью конденсаторов звена постоянного тока. В случае если запасаемая конденсаторами энергия за период работы полупроводникового аппарата больше, чем энергия, потребляемая нагрузкой, выпрямители переходят в режим прерывистых токов, характеризующийся значительным ростом содержания высших гармоник в потребляемом токе и резким снижением энергетической эффективности и электромагнитной совместимости [11]. Данный режим работы указан для тока на вентилях выпрямительных блоков на фиг. 3 патента на изобретение [10]. Замыкаясь в конденсаторах компенсирующего устройства (гармоники тока с номерами 5 и 7) и распространяясь в сети электроснабжения (гармоники тока с остальными номерами), высшие гармоники тока ухудшают энергетические показатели всей системы.

Также недостатком данного изобретения является то, что в нём могут применяться только стандартные двухуровневые автономные инверторы тока и напряжения, которые также являются генераторами высших гармоник тока и напряжения, передаваемых в нагрузку, в том числе на частотах кратных частоте широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения. Последний тип гармоник из-за образования стоячих волн в длинном кабеле, по которому подается питание на ПЭД, способен вызывать значительные перенапряжения на обмотках ПЭД, двукратные, и даже выше двукратных, если волна не полностью гасится на входном сопротивлении инвертора [12]:

(4)

где - напряжение на зажимах ПЭД, В;

- величина импульса выходного напряжения автономного инвертора напряжения, В;

- коэффициент отражения, обычно .

Для исключения перенапряжений на выходе инверторов напряжения устанавливаются выходные фильтры, обычно это синусные фильтры. Применение фильтров приводит к дополнительным потерям мощности.

Не лишены указанных выше недостатков и следующие изобретения тех же авторов [13, 14], требующие применения входных и выходных фильтров, а также согласования мощности нагрузки с ёмкостью конденсаторов звена постоянного тока.

Известен также способ повышения энергоэффективности и надёжности электротехнического комплекса механизированной добычи нефти, приведённый в [1], включающий в себя ряд конструктивных изменений схем [3, 4]: повышение пульсности выпрямителя звена постоянного тока преобразователя частоты с 6-ти до 12-ти; использование единого звена постоянного тока для ряда инверторов станций управления УЭЦН куста нефтедобывающих скважин; использование трёхуровневых инверторов напряжения, использование высоковольтных инверторов, которые позволяют снизить потери энергии, а также исключить повышающий трансформатор, при этом согласование напряжения на выходе инвертора с напряжением, подаваемым по длинному кабелю на ПЭД, выполнять средствами инвертора.

Недостатком технического решения, приведённого в [1], является то, что в нем не раскрыт способ подключения трёхуровневых инверторов к двенадцатипульсному выпрямителю. Еще одним недостатком технического решения, приведённого в [1], является то, что в нем не решена проблема согласования ёмкости конденсаторов звена постоянного тока с мощностью нагрузки, которая, как было указано выше, может изменяться в широких пределах.

Целью данного изобретения является создание электротехнического комплекса, который обладает высокой электромагнитной совместимостью с системой электроснабжения и электрооборудованием, подключенным к системе электроснабжения, а также с подключенной нагрузкой, в том числе регулируемой, вне зависимости от степени загрузки по мощности, и как следствие, обладает высокой надежностью в сравнении со стандартными схемами.

Ещё одной целью данного изобретения является снижение потерь электрической энергии в оборудовании электротехнического комплекса.

Другой целью данного изобретения является упрощение технического обслуживания оборудования электротехнического комплекса, если данный комплекс используется для механизированной добычи нефти.

Еще одной целью изобретения является возможность подключения к электротехническому комплексу механизированной добычи нефти электрических двигателей переменного тока различного типа: асинхронных двигателей, синхронных двигателей, вентильных двигателей, различной обобщённой нагрузки, а также нагрузки, работающей на постоянном токе.

Указанные цели достигаются за счёт того, что на выходе системы «трансформатор с расщеплённой вторичной обмоткой, подключенной к выпрямителям, собранным по схеме Ларионова», образующей двенадцатипульсный выпрямитель, формируется три уровня напряжения: один уровень условно считается положительным, другой отрицательным, а уровень напряжения на объединенных выходах выпрямителей является нулевым, то есть на одну и ту же величину больше отрицательного уровня напряжения и меньше положительного уровня. Соответственно уровням напряжения к выходам выпрямителей подключены шины положительного, нулевого и отрицательного потенциалов, образуя распределительное устройство постоянного тока. К распределительному устройству постоянного тока подключаются автономные инверторы напряжения, количество которых зависит от количества нагрузки, регулируемой и нерегулируемой. Автономный инвертор напряжения может быть выполнен на среднее напряжение, что позволяет исключить повышающие трансформаторы перед нагрузкой, а регулирование напряжения производить средствами инверторов. Каждый подключаемый автономный инвертор напряжения имеет, по меньшей мере, один индивидуальный конденсатор, что позволяет согласовывать ёмкость звена постоянного тока с нагрузкой каждый раз, когда происходит изменение количества и мощности подключенной нагрузки к электротехническому комплексу, предотвращая, таким образом, переход выпрямителей в работу в зоне прерывистых токов. Выпрямители, распределительно устройство постоянного тока и индивидуальные конденсаторы автономных инверторов напряжения образуют единое звено постоянного тока электротехнического комплекса.

Система автоматического управления содержит датчики тока и напряжения на входе и выходе каждого инвертора, микроконтроллер, реализующий ШИМ напряжения и драйверы управления транзисторами инверторов. В зависимости от типа двигателя микроконтроллер посредством ШИМ формирует импульсы напряжения на выходе инвертора необходимой величины, периода и скважности. Так для синхронных и асинхронных двигателей микроконтроллер формирует при помощи ШИМ синусоидальное напряжение с требуемой частотой и амплитудой, а для вентильных двигателей микроконтроллер формирует при помощи ШИМ напряжение в виде импульсов с требуемым периодом и скважностью.

Изобретение способствует снижению уровня генерируемых высших гармоник тока и напряжения в системе электроснабжения, то есть к повышению электромагнитной совместимости оборудования и системы электроснабжения, и как следствие к повышению энергетической эффективности и надежности, то есть служит основной цели изобретения. Применение единого звена постоянного тока для всей регулируемой нелинейной нагрузки позволяет уменьшить стоимость электротехнического комплекса и сократить количество оборудования, что также позволяет повысить энергетическую эффективность и надёжность.

Дополнительным преимуществом изобретения является то, что формируется три уровня напряжения в звене постоянного тока, поэтому оно позволяет подключать трёхуровневые автономные инверторы напряжения, которые формируют на нагрузке переменное напряжение ступенчатым образом, исключая резкое нарастание напряжения в импульсе с последующими перенапряжениями на обмотках двигателей [15, 16]. Существующие трёхуровневые автономные инверторы напряжения на напряжение 3-4 кВ не требуют уставки повышающих трансформаторов для питания ПЭД механизированной добычи нефти на соответствующем напряжении [15, 16], так как напряжение регулируется средствами трёхуровневого автономного инвертора. При использовании понижающих трансформаторов с напряжением вторичной обмотки 1,5 кВ, постоянное напряжение на звене постоянного тока будет в больше, то есть около 4,45 кВ, что позволит инвертору регулировать переменное напряжение на нагрузке от 0 до 3-4 кВ при помощи ШИМ. Таким образом, инверторы выполняются на среднее напряжение и не требуют установки повышающих трансформаторов и различных фильтров на своих выходах, что способствует повышению энергетической эффективности, так как снижается величина тока в оборудовании и исключается часть согласующего оборудования из схемы. Ещё одним дополнительным преимуществом изобретения в сравнении со стандартными схемами является то, что в данном техническом решении при использовании трёхуровневых автономных инверторов напряжения может быть использовано векторное управление машинами переменного тока, требующее пофазного регулирования током и напряжением подключенного к инвертору двигателя. Такое управление в рассмотренных стандартных схемах невозможно из-за применения в них синусных фильтров на выходе инверторов, так как синусные фильтры, устраняя искажения тока и напряжения, перераспределяют электрическую энергию по фазам из-за наличия в схеме устройства конденсаторов, соединенных звездой или треугольником.

В случае если требования к уровню электромагнитной совместимости выше обычных, например, при подключении нагрузки, не рассчитанной на питание от полупроводниковых инверторов или при подключении электротехнического комплекса к системе электроснабжения особо чувствительной к электромагнитной совместимости, в частности из-за большого износа оборудования, в данном изобретении могут применяться различные решения для дополнительного снижения уровня высших гармоник тока и напряжения: входные и выходные дроссели и фильтры, в том числе синусные и параллельные пассивные фильтры. Для еще более значительного снижения вероятности перехода выпрямителя в режим работы в зоне прерывистых токов в звене постоянного тока может быть установлен дроссель, поддерживающий уровень тока через полупроводниковые приборы.

Дополнительным способом, повышающим надежность электротехнического комплекса механизированной добычи нефти является, резервирование, выполненное, например, в соответствии с ПУЭ. В данном изобретении в электротехническом комплексе возможно применение резервирования на шинах постоянного тока. При этом распределительное устройство постоянного тока первого электротехнического комплекса подключено через коммутационный аппарат к распределительному устройству постоянного тока второго электротехнического комплекса, коммутационный аппарат автоматически переходит из начального выключенного состояния во включенное состояние при снижении величины напряжения на одном из распределительных устройств постоянного тока ниже минимально допустимого. Уровень минимально допустимого напряжения устанавливается требованиями нормативных документов РФ, характеристиками системы электроснабжения электротехнического комплекса и характеристиками нагрузки, подключаемой к нему, а в каждом конкретном случае определяется расчётами в проектной документации.

Скорость и удобство обслуживания электротехнического комплекса можно повысить, используя при его создании выкатные модули для трансформатора с расщеплённой вторичной обмоткой низшего напряжения, конденсаторов звена постоянного тока и автономного инвертора напряжения, а также выполняя электрические подключения кабельных линий к автономным инверторам напряжения в виде быстроразъемного соединения при помощи кабельного адаптера.

Еще одним способом, повышающим скорость и удобство обслуживания, а также надежность электротехнического комплекса механизированной добычи нефти, является его размещение в блочно-модульном здании заводской готовности, в котором может поддерживаться необходимый микроклимат для стабильной работы, как оборудования, так и обслуживающего персонала. Такие здания можно комплектовать необходимым оборудованием и выполнять пуско-наладку непосредственно в сборочных цехах и доставлять на удаленные объекты заказчика, где необходимо только подключить их к внешним электрическим цепям и запустить в работу. При необходимости подключения дополнительной, ранее не учтенной нагрузки, здание может расширяться при помощи новых блоков, где устанавливается необходимое оборудование. При этом шины распределительного устройства постоянного тока разных блоков могут быть объединены и подключены к одному звену постоянного тока.

При необходимости изменения уровня напряжения на выходе инвертора, которое не может быть выполнено средствами инвертора, между инвертором и нагрузкой может устанавливаться трансформатор.

Включение в работу электротехнического комплекса механизированной добычи нефти по данному изобретению может сопровождаться большими токами зарядки конденсаторов звена постоянного тока и индивидуальных конденсаторов автономных инверторов напряжения. Такие токи могут приводить к выходу из строя из-за перегрева частей схемы электротехнического комплекса, по которым они протекают. Для ограничения тока зарядки указанных конденсаторов и соответственно для повышения надежности электротехнического комплекса выпрямители могут быть выполнены с применением управляемых полупроводниковых вентилей, по меньшей мере, в одной из троек вентилей выпрямителя, верхней или нижней. Система автоматического управления ограничивает ток зарядки конденсаторов звена постоянного тока, управляя данными вентилями при пуске в работу электротехнического комплекса, оставляя их в проводящем состоянии на меньшем промежутке времени, чем они бы оставались при естественной коммутации.

На фиг. 1 - изображена линейная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса.

На фиг. 2 - изображены на линейной электрической схеме различные способы подключения автономных инверторов напряжения и подключение потребителя постоянного тока к энергоэффективному и надёжному электротехническому комплексу.

На фиг. 3 - изображена принципиальная схема одного из вариантов реализации энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с подключенным трёхуровневым автономным инвертором напряжения и с управляемыми приборами в части троек полупроводниковых приборов выпрямителей.

На фиг. 4 - изображена линейная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с резервированием.

На фиг. 5 - изображена линейная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с одними из вариантов установки дросселей в звено постоянного тока.

На фиг. 6 - изображена линейная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с параллельным подключением двух групп, состоящих из входных трансформаторов с выпрямителями.

На фиг. 7 - изображена линейная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с последовательным подключением двух групп, состоящих из входных трансформаторов с выпрямителями.

На фиг. 8 - изображены кривые тока и напряжения энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса, который состоит из входного трансформатора 3 с расщеплённой вторичной обмоткой, состоящей из обмотки, соединенной треугольником 5 и обмотки, соединенной звездой 6. Первичная обмотка 4 входного трансформатора 3 соединена треугольником и подключена к линии электропередачи 2, которая в свою очередь подключена к источнику питания переменного напряжения 1, подавая, таким образом, электрическое питание на входной трансформатор 3. Каждая вторичная обмотка 5 и 6 входного трансформатора 3 подключена к отдельному собранному по схеме Ларионова полупроводниковому выпрямителю 7 и 7’ соответственно. К выходам полупроводниковых выпрямителей 7 и 7’ подключено распределительное устройство постоянного тока 8, состоящее из шин постоянного тока, включающее шину положительного потенциала 9, подключенную к выходу положительного потенциала выпрямителя 7, шину отрицательного потенциала 9’’, подключенную к выходу отрицательного потенциала выпрямителя 7’ и шину нулевого потенциала 9’, подключенную к выходу отрицательного потенциала выпрямителя 7 и выходу положительного потенциала выпрямителя 7’. К распределительному устройству постоянного тока 8 подключен, по меньшей мере, один автономный инвертор напряжения 11, к которому параллельно на входе подключен, по меньшей мере, один индивидуальный конденсатор 10, на фиг. 1 приведено подключение двухуровневого автономного инвертора напряжения 11. К автономному инвертору напряжения 11 подключен потребитель переменного электрического тока 12. Система автоматического управления 13 электротехническим комплексом измеряет напряжение и ток на входе инвертора 11 при помощи датчиков постоянного тока 16 и датчика постоянного напряжения 17, а также напряжение и ток на выходе инвертора 11 при помощи датчиков переменного тока 18 и датчиков переменного напряжения 19, которых может быть разное количество, в зависимости от типа потребителя и реализуемого алгоритма управления, например, при симметричной нагрузке и скалярном управлении возможно измерение указанных параметров только в одной фазе, количество измерительных приборов на выходе инвертора, таким образом, уменьшается в 3 раза. Данные с датчиков системы управления 13 поступают в контроллер 14, являющийся, например, микроконтроллером, который является также частью системы управления 13. Контроллер 14 реализует стандартные алгоритмы управления, например, векторное или скалярное управление асинхронным электродвигателем при помощи ШИМ, алгоритм управления зависит от типа нагрузки (вентиляторная нагрузка, постоянная нагрузка и т.д.), уровней инвертора (двухуровневый, трёхуровневый и т.д.) и текущего режима работы (пуск, останов, ручное управление и т.д.). Микроконтроллер 14 передает в драйверы полупроводниковых ключей 15 сигналы управления полупроводниковыми приборами автономного инвертора напряжения 11 в виде ШИМ напряжения, управляя периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения 11.

Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания трёхфазного переменного напряжения 1 посредством линии электропередачи 2 на первичную обмотку 4 входного трансформатора 3 с расщеплённой вторичной обмоткой первичная обмотка 4 индуцирует напряжение во вторичных обмотках 5 и 6 входного трансформатора 3, которое больше или меньше входного напряжения в k раз, где k - коэффициент трансформации входного трансформатора 3. Так как у входного трансформатора 3 первичная обмотка 4 соединена треугольником, вторичная обмотка 5 также соединена треугольником, а вторичная обмотка 6 соединена звездой, то высшие гармоники, генерируемые выпрямителями 7 и 7’, кратные 3, а также соответствующие формуле (1), но не соответствующие формуле (2), замыкаются в данном трансформаторе и не распространяются в системе электроснабжения при условии однородной и равной нагрузки на выпрямителях 7 и 7’. Из-за различного типа соединения обмоток 5 и 6, напряжение на их выходе сдвинуто по фазе друг относительно друга на 30 градусов, что позволяет формировать двенадцатипульсное постоянное напряжение полупроводниковыми выпрямителями 7 и 7’, собранными по схеме Ларионова, без больших корректирующих токов между объединенными выходами. Распределительное устройство постоянного тока 8 передает электроэнергию к подключенному к нему автономному инвертору напряжения 11 через шины постоянного тока 9, 9’, 9’’. Параллельно автономному инвертору 11 и шинам постоянного тока подключен индивидуальный конденсатор 10 автономного инвертора напряжения 11, который сглаживает пульсации напряжения на выходе выпрямителей, также конденсатор 10 позволяет автономному инвертору 11 запасать электрическую энергию и обмениваться электрической энергией с потребителем 12 на тех периодах работы, когда напряжение на потребителе 12 превышает напряжение на конденсаторе 10, например, в рекуперативных режимах электрических машин переменного тока или при коммутациях полупроводниковых ключей инвертора 11, предотвращая, таким образом, перенапряжения на входе инвертора и на потребителе. Система автоматического управления 13 электротехническим комплексом измеряет напряжение и ток на входе инвертора 11 при помощи датчиков постоянного тока 16 и датчика постоянного напряжения 17, а также напряжение и ток на выходе инвертора 11 при помощи датчиков переменного тока 18 и датчиков переменного напряжения 19. Данные с датчиков системы управления 13 поступают в микроконтроллер 14, являющийся частью системы управления 13. Микроконтроллер 14 реализует стандартные алгоритмы управления, например, векторное или скалярное управление асинхронным электродвигателем при помощи ШИМ напряжения, алгоритм управления зависит от типа нагрузки (вентиляторная нагрузка, постоянная нагрузка и т.д.), уровней инвертора (двухуровневый, трёхуровневый и т.д.) и текущего режима работы (пуск, останов, ручное управление и т.д.). Микроконтроллер 14 передает в драйверы полупроводниковых ключей 17 сигналы управления полупроводниковыми ключами автономного инвертора напряжения 11 в виде ШИМ напряжения, управляя периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения 11. В результате на потребителе пофазно формируется переменное напряжение с необходимыми параметрами: формой (синусоидальная и т.д.), частотой, величиной и т.д.

На фиг. 2 приведены различные способы подключения автономных инверторов напряжения 12, 23, 27, 31, 34 к распределительному устройству постоянного тока 8 энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса.

Способ подключения двухуровневого автономного инвертора напряжения 11 к распределительному устройству постоянного тока 8 выполнено таким образом, что 2 индивидуальных конденсатора 10 и 10’ автономного инвертора напряжения 11 подключены параллельно шинам 9 и 9’ и 9’ и 9’’ соответственно распределительного устройства постоянного тока 8, этот способ является предпочтительным вариантом, так как способствует равномерной загрузке выпрямителей 7 и 7’, а также позволяет использовать автономный инвертор напряжения 13 при выходе из строя одного из конденсаторов 10 или 10’, что повышает надёжность электротехнического комплекса.

Также предпочтительным вариантом является способ подключения двухуровневого автономного инвертора напряжения 22 к распределительному устройству постоянного тока 8 таким образом, что индивидуальный конденсатор 21 автономного инвертора напряжения 22 подключен параллельно шинам 9 и 9’’ распределительного устройства постоянного тока 8. Данный способ подключения также позволяет равномерно загружать выпрямители 7 и 7’.

В качестве менее предпочтительного примера приведено подключение двухуровневого автономного инвертора напряжения 30 к шинам постоянного тока 9 и 9’’ распределительного устройства постоянного тока 8 таким образом, что один выход индивидуального конденсатора 29 подключен к шине нулевого потенциала 9’, а другой выход индивидуального конденсатора 29 подключен к шине отрицательного потенциала 9’’. Данный способ подключения позволяет использовать ещё один уровень напряжения, который в 2 раза меньше, чем напряжение между шиной положительного потенциала 9 и шиной отрицательного потенциала 9’’ распределительного устройства 8, но приводит к неравномерной загрузке выпрямителей 7 и 7’, что в свою очередь вызывает разность напряжений на их выходах, что отрицательно сказывается на ряде потребителей, например, подключаемых через трёхуровневые автономные инверторы напряжения, а также приводит к дополнительной генерации высших гармоник в сеть электроснабжения, которые при равномерной загрузке выпрямителей 7 и 7’ скомпенсированы, например, гармоники с номерами 5, 7, 17, 19 и т.д. Если необходимо подключать автономный инвертор напряжения таким образом, каким подключен инвертор 30 и при этом существует еще один автономный инвертор напряжения, который необходимо подключить таким же образом, то предпочтительнее данные инверторы подключать между разными шинами распределительного устройства постоянного тока, что при равенстве мощности данных инверторов позволит равномерно загрузить выпрямители 7 и 7’ и обеспечить указанные преимущества изобретения.

Также на фиг. 2 показан пример подключения трёхуровневого автономного инвертора напряжения 26 к распределительному устройству постоянного тока 8 электротехнического комплекса данного изобретения.

Трёхуровневый автономный инвертор 26 и двухуровневый автономный инвертор 30 подключены к распределительному устройству постоянного тока 8 через коммутирующие аппараты 24 и 28 соответственно, что позволяет отключать инверторы 26 и 30 от распределительного устройства 8 с обеспечением разрыва цепи, например, при проведении технического обслуживания потребителей электроэнергии 27 и 31 соответственно или при замене автономного инвертора напряжения 26 или 30, или при другой технической операции, требующей безопасного отключения инвертора. Управление коммутационными аппаратами может быть как ручным, так и автоматическим. Сами коммутационные аппараты могут быть как механическими, так и полупроводниковыми.

Также на фиг. 2 приведён пример подключения потребителя постоянного тока 34 к распределительному устройству постоянного тока 8 через коммутационный аппарат 32. В качестве такой нагрузке может выступать система питания обмоток возбуждения синхронных двигателей, различные нагреватели, тормозные резисторы асинхронных двигателей, нагрузка собственных нужд, а также другая нагрузка. Между преобразователями напряжения и нагрузкой также могут устанавливаться коммутационные аппараты, для прекращения подачи напряжения на нагрузку вне зависимости от системы управления инвертором, в том числе для обозначения разрыва электрической цепи при техническом обслуживании нагрузки. Данные коммутационные аппараты могут быть как механическими, так и полупроводниковыми.

Также на фиг. 2 приведён пример подключения общих конденсаторов звена постоянного тока 20 и 20’ к выпрямителям 7 и 7’ и распределительному устройству 8. При таком подключении, если суммарная ёмкость 20 и 20’ конденсаторов меньше суммарной ёмкости индивидуальных конденсаторов при подключенных автономных инверторах напряжения, то вероятность перехода выпрямителей 7 и 7’ в режим работы прерывистых токов небольшая, но при этом, в случае выхода из строя индивидуальных конденсаторов, одного или нескольких, электротехнический комплекс сможет продолжить работу, что повышает его надёжность

На фиг. 3 изображена принципиальная схема одного из вариантов реализации энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с подключенным трёхуровневым автономным инвертором напряжения 26. Также на фиг. 3 указан один из вариантов размещения управляемых полупроводниковых приборов в тройках выпрямителей 7 и 7’. При пуске энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса система управления уменьшает угол открытия управляемых полупроводниковых приборов относительно их естественной коммутации, ограничивая, таким образом, ток зарядки конденсаторов звена постоянного тока. В выпрямителе 7 управляемые полупроводниковые приборы размещены в правой тройке, а в выпрямителе 7” - в левой тройке.

На фиг. 4 - изображена линейная электрическая схема одного из вариантов энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса с резервированием, который состоит из двух энергоэффективных и надёжных электротехнических комплексов 35 и 36, распределительные устройства которых подключены друг к другу через коммутационный аппарат 37, находящийся в нормально выключенном состоянии. Система управления 13 при помощи датчиков постоянного напряжения 38 электротехнического комплекса 35 и датчиков постоянного напряжения 39 электротехнического комплекса 36 отслеживает величину напряжения между шин постоянного тока, когда величина напряжения, по меньшей мере, между одной из пар шин снижается ниже минимально допустимого уровня, система управления 13 отключает от сети электроснабжения электротехнический комплекс с данной парой шин и переводит коммутационный аппарат 37 во включенное состояние, в результате чего электроэнергия может подаваться на потребителей 40 и 41.

На фиг. 5 - изображена линейная электрическая схема двух вариантов подключения дросселей звена постоянного тока 42, 43. При работе энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса дроссели 42, 43 поддерживают ток в звене постоянного тока и предотвращают преждевременное закрытие полупроводниковых приборов с переходом в режим работы в зоне прерывистых токов.

На фиг. 6 - изображена линейная электрическая схема одного из вариантов параллельного подключения двух групп, состоящих из входных трансформаторов 3, 3’ и выпрямителей 7, 7’, 7’’, 7’’’. При этом вторая группа подключена к шинам 9, 9’, 9’’ первой группы при помощи шин 44, 44’, 44’’ соответственно. Параллельное подключение групп, состоящих из входных трансформаторов и выпрямителей, позволяет увеличить мощность электротехнического комплекса данного изобретения, используя входные трансформаторы и выпрямители меньшей мощности. Такие группы могут состоять из входных трансформаторов и выпрямителей, как изображено на фиг. 6, а также из групп входных трансформаторов с параллельным подключением к двум выпрямителям 7, 7’, также из групп выпрямителей с параллельным подключением к одному входному трансформатору 3.

На фиг. 7 - изображена линейная электрическая схема одного из вариантов последовательного подключения двух групп, состоящих из входных трансформаторов 3, 3’ и выпрямителей 7, 7’, 7’’, 7’’’. Группы входных трансформаторов с выпрямителями, собранными по схеме Ларионова подключены таким образом, что шина положительного потенциала 9 распределительного устройства постоянного тока 8 подключена к выходу положительного потенциала первой группы, шина отрицательного потенциала 9’’ распределительного устройства постоянного тока 8 подключена к выходу отрицательного потенциала второй группы, шина нулевого потенциала 9’ распределительного устройства постоянного тока 8 подключена к выходу отрицательного потенциала первой группы и к выходу положительного потенциала второй группы. Последовательное подключение групп, состоящих из входных трансформаторов и выпрямителей, позволяет увеличить напряжение в звене постоянного тока электротехнического комплекса данного изобретения, используя входные трансформаторы и выпрямители меньшего напряжения. Если сдвиг фаз между напряжением каждой последующей вторничной обмотки входных трансформаторов равен , где n - количество последовательно подключаемых групп, то также повышается пульсность выпрямителя до .

На фиг. 8 - изображены кривые тока и напряжения энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса: кривая напряжения 45 на входе энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса, кривая тока 46 на входе энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса, кривая напряжения 47 на входе выпрямителя 7, кривая напряжения 48 на входе выпрямителя 7, инвертированная кривая напряжения 49 в звене постоянного тока. Из кривых следует, что выпрямитель 7 работает вне зоны прерывистых токов, искажение тока выпрямителя 7 по параметру THD не более 27% (в зоне прерывистых токов более 90%), искажение тока и напряжения на входе энергоэффективного и надёжного электротехнического комплекса не превышает 5%.

Список использованной литературы

1. Багуманова К.Р. Способ повышения энергоэффективности и надёжности электротехнического комплекса механизированной добычи нефти / К.Р. Багуманова, Е.М. Костоломов, В.А. Копырин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. - С. 10-13.

2. Погорелов С.В. Опыт эксплуатации УЭЦН в условиях повышенного содержания мехпримесей / С.В. Погорелов, С.Н. Ануфриев // Производственно-технический нефтегазовый журнал «Инженерная практика». - 2010. - № 2. - С. 66-72.

3. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: Учеб. для вузов. Глава №9. - М.: ОАО «Издательство «Недра», 2000. - 487 с.

4. Гинзбург М.Я., Павленко В.И., Климов В.П. Об энергетических показателях УЭЦН // Инженерная практика, 2010. - № 8. С. - 12-16.

5. RU 2554692 C1 Патент на изобретение РФ. Электрооборудование для подъёма пластовой жидкости на кусте скважин и способ управления им: МПК F04D 15/00, F04D 13/10 / А.М. Санталов, О.Н. Хоцянова, О.М. Перльман, О.В. Комаров, Е.С. Хорошев, Д.Н. Мартюшев; патентообладатель АО «Новомет-Пермь». - №2014119624/06 заявл. 15.05.2014 г.; опубл. 27.06.2015 г., Бюл. №18. - 11 с.

6. Шевелева А.В. Оценка искажения напряжения в электрических сетях нефтедобывающих предприятий / А.В. Шевелева, Е.М. Костоломов, В.А. Копырин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. - С. 100-103.

7. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2015. - 15 с.

8. ГОСТ 30804.4.7 (IEC 61000-4-7:2009) Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. - М.: Стандартинформ, 2013. - 34 с.

9. Фрайштетер В.П. Качество напряжения в сетях электроснабжения установок погружных электронасосов. Проблемы и основные направления по их решению / В.П. Фрайштетер, М.А. Суслов // Энергетика Тюменского региона, 2009. - №4. - C. 46-47.

10. RU 2400917 C1 Патент на изобретение РФ. Компенсированная система электроснабжения разночастотных потребителей электрической энергии: МПК H02M 7/68 / Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова, С.А. Чупин; патентообладатели Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова, С.А. Чупин. - №2009112692/09 заявл. 06.04.2009 г., опубл. 27.09.2010 г., Бюл. №27. - 9 с.

11. Жук А.К. Несинусоидальность входных напряжений и токов и энергетические характеристики преобразователей частоты / А.К. Жук, С.Л, Трибулькевич // Електромашинобудування та електрообладнання, 2008. - №70 - С. 95-104.

12. Калашников Б.Е. Проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами // Электротехника, 2002. - №12. - C. 24-26.

13. RU 2516861 C1 Патент на изобретение РФ. Компенсированная система электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии: МПК H02J 3/02 / Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова, С.А. Чупин, Л.М. Пестряева, А.А. Майер; патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ). - №2012149753/07 заявл. 21.11.2012 г., опубл. 20.05.2014 г., Бюл. №14. - 10 с.

14. RU 2557065 C1 Патент на изобретение РФ. Компенсированная система электроснабжения удаленных потребителей электрической энергии: МПК H02J 3/12, МПК H02J 3/12 / Ю.И. Хохлов, М.Ю. Федорова; патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ). - №2014109725/07 заявл. 12.03.2014 г., опубл. 20.07.2015 г., Бюл. №20. - 12 с.

15. Лазарев Г.Б. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости электротехники, 2005. - №2(32) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://news.elteh.ru/arh/2005/32/10.php.

16. SIEMENS SIMOVERT MV Medium-Voltage Drives 660 kVA to 7200 kVA / Catalog DA 63 2001. - Nurnberg: Automation and Drives Group, 2001. - 180 p.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе распределения и преобразования электроэнергии в качестве регулируемого электрического привода насосов кустов скважин, в том числе погружных электроцентробежных насосов, размещённых на одном кусте и предназначенных для подъёма из пласта на поверхность скважинной жидкости, содержащей нефть, а также для добычи воды из водоносных пластов и для закачки воды в продуктивные нефтяные пласты с целью поддержания пластового давления, также может использоваться в качестве регулируемого электрического привода механизмов буровой установки и для других механизмов. В качестве электродвигателей могут применяться асинхронные двигатели, синхронные двигатели, вентильные двигатели и двигатели постоянного тока. Техническим результатом является обеспечение электромагнитной совместимости системы электроснабжения с частотно-регулируемым электроприводом. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс состоит из входного трансформатора (3) с соединённой треугольником первичной обмоткой (4) и с расщеплённой вторичной обмоткой (5, 6), получающего электрическое питание от источника питания трёхфазного переменного напряжения (1) по линии электропередачи (2), выходы вторичных обмоток входного трансформатора (5, 6) присоединены к входам двух полупроводниковых выпрямителей (7, 7’), собранных по схеме Ларионова, к выходам которых подключено распределительное устройство постоянного тока (8), состоящее из шины положительного потенциала (9), шины отрицательного потенциала (9’’), шины нулевого потенциала (9’), к шинам постоянного тока подключен по меньшей мере один автономный инвертор напряжения (11) с индивидуальным конденсатором (10), подающий переменное напряжение на подключенного к нему потребителя (12), система автоматического управления (13), состоящая из датчиков постоянного тока (16) и напряжения (17), датчиков переменного тока (18) и напряжения (19), контроллера (14) и драйверов полупроводниковых приборов (15) измеряет напряжение и ток на входе и выходе инвертора и управляет периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс, состоящий из входного трансформатора с соединённой треугольником первичной обмоткой и с расщеплённой вторичной обмоткой, получающего электрическое питание от источника питания трёхфазного переменного напряжения по линии электропередачи, выходы вторичных обмоток входного трансформатора присоединены к входам двух полупроводниковых выпрямителей, собранных по схеме Ларионова, к выходам которых подключено распределительное устройство постоянного тока, состоящее из шины положительного потенциала, присоединённой к выходу положительного потенциала первого выпрямителя, подключенного к вторичной обмотке входного трансформатора, соединённой треугольником, и шины отрицательного потенциала, присоединённой к выходу отрицательного потенциала второго выпрямителя, подключенного к вторичной обмотке входного трансформатора, соединённой звездой, к шинам постоянного тока подключен по меньшей мере один автономный инвертор напряжения, подающий переменное напряжение на подключенного к нему потребителя, система автоматического управления измеряет напряжение и ток на входе и выходе инвертора и управляет периодом и скважностью импульсов напряжения, генерируемых автономным инвертором напряжения, отличающийся тем, что распределительное устройство постоянного тока включает также шину нулевого потенциала, присоединённую к выходу отрицательного потенциала первого выпрямителя и выходу положительного потенциала второго выпрямителя, автономный инвертор напряжения имеет по меньшей мере один индивидуальный конденсатор, который параллельно подключен к автономному инвертору напряжения и к шинам постоянного тока распределительного устройства постоянного тока.

2. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что состоит из двух электротехнических комплексов по п. 1, при этом распределительное устройство постоянного тока первого электротехнического комплекса подключено через коммутационный аппарат к распределительному устройству постоянного тока второго электротехнического комплекса, коммутационный аппарат автоматически переходит из начального выключенного состояния во включенное состояние при снижении величины напряжения на одном из распределительных устройств постоянного тока ниже минимально допустимого.

3. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что к выходам двух полупроводниковых выпрямителей, собранных по схеме Ларионова, параллельно подключен по меньшей мере один конденсатор звена постоянного тока, шины распределительного устройства постоянного тока подключены к конденсатору звена постоянного тока.

4. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п.1 или 3, отличающийся тем, что входной трансформатор с расщеплённой вторичной обмоткой, конденсатор звена постоянного тока и автономный инвертор напряжения выполнены в виде отдельных выкатных модулей, размещённых в блочно-модульном здании, к автономному инвертору напряжения для питания потребителя выполнено подключение кабельной линии в виде быстроразъёмного соединения при помощи кабельного адаптера.

5. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один автономный инвертор напряжения выполнен по трёхуровневой схеме, а система автоматического управления дополнительно управляет величиной импульсов напряжения, генерируемых трёхуровневым автономным инвертором напряжения.

6. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что выпрямители выполнены с применением управляемых полупроводниковых приборов по меньшей мере в одной из троек полупроводниковых приборов выпрямителя, система автоматического управления ограничивает ток зарядки конденсаторов, управляя углом открытия полупроводниковых приборов при пуске электротехнического комплекса.

7. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1 или 3, отличающийся тем, что по меньшей мере между одним конденсатором и выходом полупроводникового выпрямителя подключен дроссель звена постоянного тока, между входами первичной обмотки входного трансформатора и линией электропередачи подключен по меньшей мере один входной дроссель и по меньшей мере один конденсатор, совместно образуя пассивный фильтр высших гармоник тока.

8. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один потребитель является потребителем постоянного тока и подключен к распределительному устройству постоянного тока через коммутационный аппарат.

9. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один потребитель подключен к автономному инвертору напряжения через коммутационный аппарат.

10. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что между выходом по меньшей мере одного инвертора и входом потребителя подключен трансформатор и фильтр, состоящий по меньшей мере из одного дросселя и одного конденсатора.

11. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что к шинам распределительного устройства постоянного тока параллельно подключены по меньшей мере две группы входных трансформаторов с выпрямителями, собранными по схеме Ларионова.

12. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что к шинам распределительного устройства постоянного тока параллельно подключены по меньшей мере две группы выпрямителей, собранных по схеме Ларионова, которые подключены к одному входному трансформатору.

13. Энергоэффективный и надёжный электротехнический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что к шинам распределительного устройства постоянного тока по меньшей мере две группы входных трансформаторов с выпрямителями, собранными по схеме Ларионова, подключены таким образом, что шина положительного потенциала распределительного устройства подключена к выходу положительного потенциала первой группы, шина отрицательного потенциала распределительного устройства подключена к выходу отрицательного потенциала второй группы, шина нулевого потенциала распределительного устройства постоянного тока подключена к выходу отрицательного потенциала первой группы и к выходу положительного потенциала второй группы.