Решение Nancal Electric для приводов среднего напряжения в системах погружных электронасосов (ESP) с длинными кабелями

1. Введение

Электрические погружные насосы (ЭЦН) широко используются при добыче нефти из глубоких скважин на суше, морской добыче нефти и газа, а также перекачке химических жидких сред. Двигатель и насос интегрированы и погружаются непосредственно в суровые скважинные условия с высокой температурой, высоким давлением и агрессивными жидкостями. В реальных условиях длина силового кабеля между приводом и забойным двигателем обычно достигает сотен или даже тысяч метров.

Эффект распределенной емкости и отражение напряжения, вызванное длинными кабелями, могут привести к перенапряжению на клеммах двигателя, ускоряя старение и повреждение изоляции. В то же время периодические положительные и отрицательные сигналы постоянного тока, подаваемые системой дросселирования скважинного датчика, могут накладываться на цепи выборки привода, вызывая нарушения управления и частые аварийные отключения.

Решая основные проблемы применения приводов ESP, Nancal Electric представила решение для систем приводов среднего напряжения ESP на основе многоуровневой топологии серии ячеек с использованием основных технологий, таких как адаптивное управление с длинным кабелем и обработка совместимости сигналов дросселя . Это решение было успешно применено в проектах с длинными кабелями, таких как погружной насос для пропана, эффективно решая такие проблемы, как перенапряжение на длинном кабеле, помехи в сигнале дросселя и снижение точности управления.

2. Основные проблемы системы

Система частотно-регулируемого привода ESP в основном состоит из четырех частей: привода среднего напряжения, силового кабеля на большие расстояния, скважинного блока ESP и системы контроля штуцера. В реальной эксплуатации система сталкивается с тремя основными проблемами.

Рис. 1. Упрощенная схема системы частотно-регулируемого привода ESP.

Во-первых, передача на большие расстояния является основным фактором, влияющим на стабильность системы. Эффект распределенной емкости длинного кабеля вызывает отражение напряжения, что приводит к перенапряжению на клеммах двигателя. В то же время емкостной зарядный ток вызывает искажения выходного тока, угрожая изоляции двигателя и безопасной работе силовых устройств привода.

Во-вторых, помехи сигнала от системы дросселирования — это техническая проблема, которую нельзя игнорировать. Система дросселя, используемая для мониторинга состояния скважины, подает периодические положительные и отрицательные сигналы постоянного тока в главную цепь. Эти сигналы накладываются на выходное напряжение привода, мешая алгоритмам выборки напряжения и векторного управления, и могут легко вызвать ложное срабатывание защиты от перегрузки по току и замыкания на землю.

В-третьих, суровые условия эксплуатации предъявляют более высокие требования к надежности системы частотно-регулируемого привода. В таких приложениях, как морские платформы, устья скважин или химические заводы, приводы среднего напряжения часто сталкиваются с суровыми условиями, включая высокую температуру, высокую влажность, коррозию солевого тумана, вибрацию и колебания мощности. В частности, морским платформам приходится также бороться с экстремальными условиями, такими как тайфуны и штормовые нагоны. Такие условия эксплуатации предъявляют требования к адаптации к окружающей среде, точности управления, надежности защиты и резервированию системы, которые намного выше, чем в традиционных промышленных сценариях.

3. Проблемы с длинными кабелями и их решения

При передаче по кабелю на большие расстояния характеристики электрической связи между приводом и двигателем изменяются, в первую очередь проявляясь в четырех основных проблемах: отражение напряжения, эффект распределенной емкости, установившееся падение напряжения и риск резонанса системы.

Когда импульсы ШИМ передаются по кабелю, на конце двигателя происходит отражение из-за несогласования импедансов. Наложение падающей и отраженной волн может значительно увеличить амплитуду напряжения на клеммах двигателя, в тяжелых случаях приближаясь к удвоенному напряжению шины постоянного тока, создавая прямую угрозу межвитковой изоляции обмоток двигателя.

В то же время длинный кабель действует как большая распределенная емкость. Периодический процесс зарядки и разрядки, вызванный импульсами ШИМ, генерирует дополнительные высокочастотные емкостные токи. Эти токи, наложившиеся на ток нагрузки, могут вызвать искажение формы выходного тока привода и увеличить коммутационное напряжение и повышение температуры силовых устройств.

Кроме того, сопротивление и индуктивность самого кабеля вызывают установившееся падение напряжения под током нагрузки, в результате чего фактическое напряжение на клеммах двигателя оказывается ниже выходного напряжения привода, что может привести к снижению выходного крутящего момента двигателя.

Распределенная индуктивность и емкость кабеля образуют резонансный контур LC, который может возбуждать гармонические колебания на определенных частотах, вызывая аномальное усиление напряжения и тока. В тяжелых случаях это может привести к нестабильности системы или защитному отключению.

Для решения вышеуказанных проблем компания Nancal Electric предложила систематическое решение для длинных кабелей. На уровне топологии применяется многоуровневая топология серии ячеек, обеспечивающая ступенчатую форму выходного сигнала, близкую к синусоидальной, с чрезвычайно низким du/dt, подавляя отражение напряжения в источнике и адаптируясь к передаче по кабелю на большие расстояния. В то же время на выходе привода установлен синусоидальный фильтр для дополнительной фильтрации высокочастотных гармоник ШИМ, приближая форму выходного напряжения к синусоидальной и значительно снижая риски перенапряжения и резонанса.

На уровне алгоритма управления привод имеет встроенную автоматическую компенсацию падения напряжения для длинных кабелей, которая корректирует выборку выходного напряжения и тока в реальном времени, гарантируя, что двигатель получит напряжение, близкое к номинальному значению, сохраняя при этом точность управления. Кроме того, за счет оптимизации пороговых значений и времени срабатывания защиты от замыкания на землю и защиты от перегрузки по току эффективно избегаются ложные срабатывания, вызванные зарядным током длинного кабеля, что обеспечивает непрерывную и стабильную работу системы.

4. Помехи и подавление сигнала дросселя

Дроссельная система ЭЦН представляет собой комплексный блок питания скважинных датчиков и передачи сигналов. Основные функции системы включают в себя: подачу периодических положительных и отрицательных сигналов постоянного тока в главную цепь двигателя для обеспечения питания скважинных датчиков, измеряющих температуру, давление, состояние изоляции двигателя и ток утечки; и получение обратных сигналов от скважинных датчиков и передача их на наземный пульт управления, что позволяет осуществлять онлайн-мониторинг внутрискважинных условий в режиме реального времени.

Система обычно выполняет один цикл сбора данных в час. Например, положительный сигнал постоянного тока сохраняется примерно в течение одного часа, после чего полярность меняется на отрицательную и сохраняется в течение нескольких секунд, и цикл повторяется. Однако сигнал дросселя оказывает существенное негативное влияние на нормальную работу привода. Положительное и отрицательное смещение постоянного тока, наложенное на выходное напряжение переменного тока, мешает расчетам векторного управления, вызывая неточности в измерении потока и расчете крутящего момента. Во время работы под нагрузкой изменение полярности сигнала постоянного тока может легко вызвать срабатывание защиты от перегрузки по току или замыкания на землю, предотвращая непрерывную работу системы. Кроме того, смещение постоянного тока нарушает алгоритм управления, потенциально вызывая колебания скорости двигателя.

Для эффективного подавления вышеуказанных помех компания Nancal Electric провела целенаправленную оптимизацию оборудования, программного обеспечения и стратегий защиты привода. Что касается аппаратного обеспечения , схема выборки выходного напряжения главной платы управления была переработана, и была добавлена ​​схема изоляции смещения постоянного тока для физической блокировки входа сигнала постоянного тока в канал выборки. Со стороны программного обеспечения был добавлен модуль программной компенсации смещения постоянного тока для удаления постоянной составляющей из сигнала выборки в реальном времени, а алгоритм векторного управления был оптимизирован для экранирования помех во время переходов сигнала дросселя. Что касается стратегии защиты , параметры защиты двигателя от замыкания на землю были перекалиброваны, а настройка времени обнаружения выходной защиты от замыкания на землю была скорректирована, чтобы избежать ложной защиты, вызванной переходами сигналов.

5. Технические преимущества электропривода среднего напряжения Nancal и гарантия надежности

Для приложений ESP с длинными кабелями приводы среднего напряжения, предлагаемые Nancal Electric, имеют значительные преимущества в конфигурации оборудования, технологии управления и инженерных приложениях. Аппаратная архитектура привода показана на рисунке ниже.

Рис. 2. Топология многоуровневого привода среднего напряжения серии Cell.

Что касается аппаратной конфигурации , эта серия приводов использует многоуровневую топологию серии ячеек, обеспечивающую высококачественные синусоидальные выходные сигналы с низким du/dt. В зависимости от длины кабеля между приводом и двигателем можно настроить синусоидальный фильтр, что делает его профессионально подходящим для применения с длинными кабелями. Система предлагает дополнительные функции, такие как резервирование основной системы управления и автоматический обход силовых элементов, что еще больше повышает надежность и стабильность.

Что касается технологии управления , в этой серии приводов используется векторное управление с разомкнутым контуром, точно адаптированное к требованиям привода забойного двигателя, с точным наблюдением магнитного потока и быстрой реакцией крутящего момента. От помех системы дросселя он обеспечивает двойную защиту посредством аппаратной изоляции и программной компенсации, сводя к минимуму влияние сигналов смещения постоянного тока. Функция адаптивной компенсации длинного кабеля автоматически определяет полное сопротивление кабеля и компенсирует падение напряжения в режиме реального времени. Технология онлайн-идентификации параметров двигателя автоматически определяет сопротивление статора и постоянную времени ротора, адаптируясь к дрейфу параметров, вызванному нагревом и насыщением двигателя.

С точки зрения инженерного применения эта серия приводов обеспечивает высокую надежность. Все доски покрыты УФ-защитным покрытием, обеспечивающим защиту от влаги, плесени и солевого тумана. Платы силовых ячеек и силовые устройства имеют независимые герметичные конструкции с высокими показателями защиты, что делает их пригодными для суровых условий эксплуатации и отвечающими требованиям длительной непрерывной работы. Продукция успешно введена в эксплуатацию во многих проектах, все решения проверены в тяжелых условиях эксплуатации.

6. Случай применения

В проекте погружного насоса для перекачки химического жидкого пропана корпус насоса погружен в жидкую среду. Конфигурация системы включает привод среднего напряжения, длинный кабель (около 1000 м), погружной насос и систему контроля дросселя. Привод среднего напряжения оснащен аппаратным обеспечением и функциями, включая резервирование основной системы управления, автоматический байпас силового элемента, резервирование верхнего вентилятора шкафа и синусоидальный фильтр, что значительно повышает надежность.

Рисунок 3: Однолинейная схема системы

| Асинхронный двигатель среднего напряжения | | Привод среднего напряжения серии NC HVVF |

| Товар | Параметр | Товар | Параметр |

| Номинальная мощность | 261 кВт | Номинальная мощность | 350 кВт |

| Номинальное напряжение | 2655 В (50 Гц) / 3187 В (60 Гц) | Выходное напряжение | 0–3300 В |

| Номинальный ток | 66,7 А | Выходной ток | 0–100 А |

| Номинальная частота | 50/60 Гц | Выходная частота | 0–180 Гц |

| Допустимое du/dt | ≤2000 В/мкс | Выход du/dt | <500 В/мкс |

| Допустимое синфазное напряжение | ≤1000 В | Выходное синфазное напряжение | <200 В |

Таблица 1. Базовая конфигурация двигателя и привода

Рис. 4. Установка всего привода и дроссельной коробки на месте.

Рис. 5. Сигнал постоянного тока системы дросселя

В ходе реализации проекта компания Nancal Electric эффективно решила ряд ключевых технических проблем, оптимизировав маршрутизацию цепей управления, перепроектировав аппаратную схему выборки с добавленной изоляцией смещения постоянного тока, внедрив алгоритмы программной компенсации и перекалибровав параметры защиты. К ним относятся помехи сигнала на объекте и ложное срабатывание защиты от перегрузки по току и замыкания на землю, вызванное периодическим сигналом смещения постоянного тока 120 В от системы дросселей (положительная полярность сохраняется в течение примерно одного часа с последующим изменением полярности на отрицательную в течение примерно 1,5 секунды).

Официально проект введен в эксплуатацию в декабре 2024 года. Реальная эксплуатация показала стабильную работу привода, отсутствие перенапряжений и резонансов в длиннокабельной передаче, хорошую совместимость дроссельной системы и привода, точное управление двигателем. Продукт получил высокое признание со стороны покупателя.

7. Заключение

Как критическое скважинное транспортное оборудование, система частотно-регулируемого привода ESP сталкивается с тремя основными проблемами: передача по длинному кабелю, помехи сигнала дросселя и суровые условия эксплуатации на площадке. Приводы среднего напряжения Nancal Electric, основанные на многоуровневой топологии серии ячеек, с адаптивным управлением по длинному кабелю в качестве ядра и совместимостью с системой дросселей в качестве отличительной особенности, эффективно решают проблемные места отрасли за счет глубокой интеграции аппаратной оптимизации и программных алгоритмов.

Nancal Electric продолжит углублять свой опыт в области применения частотно-регулируемых приводов ESP, постоянно совершенствуя и совершенствуя технологии адаптации длинных кабелей, совместимости сложных сигналов и высоконадежных технологий резервирования. Компания стремится предоставлять более безопасные, эффективные и стабильные решения с частотно-регулируемым приводом для нефтяной, химической и глубоководной добычи полезных ископаемых, способствуя локализации высокотехнологичного оборудования и качественному развитию отрасли.