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。近几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（Multifunction Electricity Controller & Optimizer），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：
GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波中的谐波具体数值： 表二A：
基准短路容标称电压 量MVA 0.38 6 10 35 66 110 10 100 100 250 500 700 谐波次数及谐波电流允许值A 2 78 43 26 15 16 12 3 62 34 20 12 13 9.6 4 39 21 13 7.7 8.1 6.0 5 62 34 20 12 13 9.6 6 26 14 8.5 5.1 5.4 4.0 7 44 24 15 8.8 9.3 6.8 8 19 11 6.4 3.8 4.1 3.0 9 21 11 6.8 4.1 4.3 3.2 10 16 8.5 5.1 3.1 3.3 2.4 11 28 16 9.3 5.6 5.9 4.3 12 13 7.1 4.3 2.6 2.7 2.0 13 24 13 7.9 4.7 5.0 3.7
表二B：
基准短路容标称电压 量MVA 0.38 6 10 100 谐波次数及谐波电流允许值A 14 11 6.1 15 12 6.8 16 9.7 5.3 17 18 10 18 8.6 4.7 19 16 9.0 20 7.8 4.3 21 8.9 4.9 22 7.1 3.9 23 14 7.4 24 6.5 3.6 25 12 6.8 10 35 100 250 3.7 2.2 2.3 1.7 4.1 2.5 2.6 1.9 3.2 1.9 2.0 1.5 6.0 3.6 3.8 2.8 2.8 1.7 1.8 1.3 5.4 3.2 3.4 2.5 2.6 1.5 1.6 1.2 2.9 1.8 1.9 1.4 2.3 1.4 1.5 1.1 4.5 2.7 2.8 2.1 2.1 1.3 1.4 1.0 4.1 2.5 2.6 1.9 66 110 500 700 按表一数据可知，当功率因数为0.9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：