張炳成

（新疆油田公司百口泉采油廠(chǎng)，新疆克拉瑪依 834000）

在低壓電網(wǎng)中，大多數(shù)負(fù)載為感性負(fù)載，如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等。近年來(lái)大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用和大功率沖擊性負(fù)荷的存在，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)變低，這些負(fù)載消耗的無(wú)功如果均要依靠上級(jí)電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送，就會(huì)造成線(xiàn)損、壓降增大，降低電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，目前大都采用使用末端側(cè)補(bǔ)償?shù)姆绞?，以提高功率因?shù)，減少設(shè)備容量和功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。

1 油田電網(wǎng)的功率因數(shù)特性

在我國(guó)的采油廠(chǎng)中，由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的游梁式抽油機(jī)仍作為各油田機(jī)械采油的主要手段，每天需要消耗大量的能源。目前約70%的抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載小于40%，運(yùn)行效率低于80%，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象較普遍，使配電線(xiàn)路的功率因數(shù)降低，配電線(xiàn)路網(wǎng)損增大［1］。在抽油機(jī)采油過(guò)程中，電機(jī)工作在兩種不同的工作狀態(tài)：一種是電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)為電動(dòng)機(jī)作用，從電網(wǎng)吸收有功功率和無(wú)功功率；另一種是機(jī)械負(fù)荷帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電機(jī)作用，從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，給電網(wǎng)送出有功功率［2］。因此，在整個(gè)沖程過(guò)程中，均需補(bǔ)償無(wú)功，這是由系統(tǒng)負(fù)載性質(zhì)所決定的。

為得到油田現(xiàn)場(chǎng)的功率因數(shù)數(shù)據(jù)，用一臺(tái)FLUKE435電能質(zhì)量分析儀對(duì)新疆油田公司百口泉采油廠(chǎng)L213號(hào)變壓器下出線(xiàn)端進(jìn)行功率因數(shù)監(jiān)測(cè)。該變壓器容量為100 k VA，下接4臺(tái)抽油機(jī)，其中2臺(tái)為30 k VA異步電機(jī)，1臺(tái)為22 k VA的異步電機(jī)，1臺(tái)為18.5 k VA的異步電機(jī)。由于其中的1臺(tái)30 k VA抽油機(jī)和一臺(tái)18.5 k VA抽油機(jī)正處于修井狀態(tài)，因此試驗(yàn)僅開(kāi)啟了一臺(tái)30 k VA和一臺(tái)22 k VA的抽油機(jī)，在去除抽油機(jī)配電柜所帶的無(wú)功補(bǔ)償裝置后，對(duì)變壓器出線(xiàn)端的功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其功率因數(shù)曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 混合式無(wú)功補(bǔ)償裝置未投入時(shí)的功率因數(shù)曲線(xiàn)

從圖1可看出，變壓器端在無(wú)任何無(wú)功補(bǔ)償裝置的情況下，整個(gè)沖程的大部分時(shí)間功率因數(shù)在0.2～0.6變化，平均功率因數(shù)為0.357 6［4］。這表明抽油機(jī)這種特定的負(fù)載，如不進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，功率因數(shù)極低，無(wú)功功率在視在功率中占大多數(shù)。這種極低的功率因數(shù)導(dǎo)致變壓器與電網(wǎng)損耗相當(dāng)嚴(yán)重，因此油田配電網(wǎng)的無(wú)功節(jié)能降耗空間非常大。

2 現(xiàn)有的無(wú)功補(bǔ)償方式

目前各采油廠(chǎng)普遍投入了無(wú)功補(bǔ)償裝置，一般采用的無(wú)功補(bǔ)償裝置是電容投切設(shè)備。甚至簡(jiǎn)單到直接并聯(lián)電容器，只有少數(shù)采油廠(chǎng)采用了接觸器或晶閘管等投切開(kāi)關(guān)。即使采取了組合投切，組合方式也極其簡(jiǎn)單。最普遍的補(bǔ)償方式是在抽油機(jī)的電控箱里并接電容。

由于抽油機(jī)大部分處于輕載運(yùn)行狀況，并且由于其分散性，低壓輸電線(xiàn)路較長(zhǎng)，本身功率因數(shù)又偏低，并接電容的就地?zé)o功補(bǔ)償確實(shí)能取得較好的效果［3］。然而，抽油機(jī)的有功電流，在整個(gè)沖程中是不間斷的，并且呈周期性變化，而無(wú)功電流也同樣是隨著有功電流的變化而變化。因此，電容設(shè)備往往不能做到精確地投切，同時(shí)反應(yīng)速度也跟不上系統(tǒng)的要求。同時(shí)，因?yàn)槊拷M投切的電容器組容量固定，所以只能階梯式投切無(wú)功補(bǔ)償容量，補(bǔ)償精度差，因此補(bǔ)償效果不算十分理想。

L213號(hào)變壓器下的抽油機(jī)采用并聯(lián)電容的無(wú)功補(bǔ)償方案方，一臺(tái)30 k VA異步電機(jī)的控制柜并接兩個(gè)電容器，一個(gè)容量是8 kvar，另一個(gè)容量是10 kvar；一臺(tái)22 k VA的異步電機(jī)并接一個(gè)電容器，容量為15 kvar。投入電容后變壓器出線(xiàn)端的功率因數(shù)曲線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 投入并聯(lián)電容器后的功率因數(shù)曲線(xiàn)

由圖2可知，投入電容后功率因數(shù)有很大提高，在上沖程的大部分時(shí)間里功率因數(shù)在0.9左右，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，功率因數(shù)偏低，均小于0.5，從而致使系統(tǒng)平均功率因數(shù)僅為0.801 7。雖然比未投電容時(shí)有很大改進(jìn)，但還是不十分理想。

3 混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

近幾年，新型靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）逐漸進(jìn)入無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域，SVG基于電壓型逆變器原理，使用絕緣門(mén)極雙極型晶體管（IGBT）來(lái)控制逆變交流電壓的大小和相位，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率很高（可達(dá)幾十千赫茲），所以SVG可以快速對(duì)無(wú)功負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，可以達(dá)到非常高的補(bǔ)償精度。但目前由于技術(shù)、工藝及元器件的限制，SVG的成本十分昂貴，無(wú)法滿(mǎn)足普通無(wú)功補(bǔ)償用戶(hù)的需求，進(jìn)而限制了SVG的大規(guī)模推廣。因此，混合型無(wú)功補(bǔ)償方式，即集成SVG和傳統(tǒng)電容投切于一體的混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，既能滿(mǎn)足精細(xì)補(bǔ)償又能保證成本不十分昂貴，因此是油田比較理想的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置由靜止無(wú)功發(fā)生器單元和投切型電容器／電抗器無(wú)功補(bǔ)償單元兩部分組成。在混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中，各單元均采用小功率、小體積、低成本方式進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，均為可選單元，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際無(wú)功狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)、靈活組合方式，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效果與成本的最佳比。

混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中，靜止無(wú)功發(fā)生器、投切式無(wú)功補(bǔ)償器各單元之間通過(guò)控制總線(xiàn)進(jìn)行交互，根據(jù)整體控制策略，確定各部分需要補(bǔ)償無(wú)功功率的時(shí)刻及容量?；旌鲜絼?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理如圖3所示。

圖3 混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理

在L213號(hào)變壓器下，投入一臺(tái)混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，配置為30 kvar的SVG加30 kvar的投切式電容器／電抗器無(wú)功補(bǔ)償單元。采用變壓器下集中補(bǔ)償?shù)姆绞?，其接入圖如圖4所示。

圖4 混合武功補(bǔ)償裝置接入圖

斷開(kāi)與抽油機(jī)配電箱中并接的電容器，投入混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，得到的混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置功率因數(shù)曲線(xiàn)圖如圖5所示：

圖5 混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后現(xiàn)場(chǎng)功率因數(shù)

由于混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)、連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償，因此投入混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置后功率因數(shù)曲線(xiàn)呈現(xiàn)方波狀，不管抽油機(jī)是處于消耗有功還是發(fā)出有功階段，其功率因數(shù)基本接近1，平均功率因數(shù)與無(wú)補(bǔ)償相比由0.357 6上升到0.986 9［4］。

與并聯(lián)接入電容器補(bǔ)償方式相比，由于混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)瞬時(shí)交流電流、電壓等實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)采集，并通過(guò)快速計(jì)算確定電容器的投切控制和SVG功率模塊的無(wú)功功率輸出容量，因此所補(bǔ)無(wú)功更加精確。同時(shí)避免了并接電容器容易產(chǎn)生的過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象。事實(shí)是，投入混合式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置與投入并聯(lián)電容相比，功率因數(shù)由0.801 7上升到0.986 9［4］。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置雖然在油田應(yīng)用廣泛，但由于其投切速度慢、投切精度差，對(duì)抽油機(jī)這種變載負(fù)荷無(wú)法達(dá)到精確補(bǔ)償?；旌鲜絼?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)、連續(xù)調(diào)節(jié)輸出無(wú)功，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)高功率因數(shù)運(yùn)行?；旌鲜絼?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合了傳統(tǒng)電容器并接的低成本以及SVG的連續(xù)高精度補(bǔ)償，是油田適合的無(wú)功補(bǔ)償方案。但考慮到SVG的成本相對(duì)較高，變壓器端集中補(bǔ)償比抽油機(jī)端分散補(bǔ)償更具成本優(yōu)勢(shì)。變壓器下集中補(bǔ)償既滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償?shù)囊?，又減少了補(bǔ)償柜數(shù)量，節(jié)約了成本。

［1］ 吉效科.油田設(shè)備節(jié)能技術(shù)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2011.

［2］ 程漢湘，劉建，文小玲，等.抽油機(jī)負(fù)載特性及其功率因數(shù)提高的研究［J］.電工技術(shù)雜志，2003（5）：55-59.

CHENG Han-xiang.A study of the load characteristic and power factor enhancement for oil-pump machine［J］.Electrotechnical Application，2003（5）：55-59.

［3］ 徐甫榮，趙錫生.抽油機(jī)節(jié)能電控裝置綜述［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2004，26（5）：1-8.

XU Fu-rong，ZHAO Xi-sheng.Summarization on energy saving of electric control device for oil pumping jack［J］.Electrical Drive Automation，2004，26（5）：1-8.

［4］ 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)西北油田節(jié)能測(cè)試中心.CSVG型低壓智能動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置測(cè)試報(bào)告（2014-156）.