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SVG動態(tài)無功補償技術(shù)在油田變電站的應(yīng)用與推廣

田愛蘭（勝利油田熱電聯(lián)供中心）

文中介紹了傳統(tǒng)無功補償技術(shù)和SVG動態(tài)無功補償技術(shù)，闡述了SVG技術(shù)原理、運行方式、控制方法、技術(shù)先進(jìn)性，對SVG動態(tài)無功補償裝置進(jìn)行研究，指定適合油田變電站的SVG動態(tài)無功補償應(yīng)用方案。通過實際案例，驗證SVG動態(tài)無功補償技術(shù)在油田變電站的應(yīng)用與推廣的可行性。

油田變電站；靜止無功發(fā)生器；動態(tài)無功補償；

電力作為油田生產(chǎn)生活的重要保障，運行可靠性和經(jīng)濟(jì)性尤為重要。電力系統(tǒng)迫切需要建立以提高電網(wǎng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗為核心，樹立“安全、經(jīng)濟(jì)、低碳、環(huán)?！钡墓芾砝砟?，從供、配、用等環(huán)節(jié)進(jìn)行一體化研究，利用新技術(shù)、新產(chǎn)品制定系統(tǒng)化的節(jié)能改造方案，使得各個環(huán)節(jié)的相關(guān)節(jié)能配套措施綜合應(yīng)用，電網(wǎng)整體優(yōu)化運行。無功補償是有效的節(jié)能措施之一，通過無功補償可有效減少電網(wǎng)無功流動、降低網(wǎng)損、提高電壓質(zhì)量，新一代無功補償技術(shù)——靜止無功發(fā)生器（以下簡稱SVG）動態(tài)無功補償技術(shù)兼有了動態(tài)無功補償和諧波電流補償?shù)碾p重功能，具有響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍寬、補償效果好、占地面積小、安全性高的特點，該技術(shù)極大提高無功補償效果，符合智能電網(wǎng)建設(shè)需求和油田“四化”建設(shè)的需要。

1　無功補償技術(shù)

無功功率補償簡稱無功補償，在電力供電系統(tǒng)中起提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。無功補償技術(shù)主要分為電容器組分組固定的補償方式、調(diào)壓式補償方式、SVC靜止無功補償技術(shù)、SVG動態(tài)無功補償技術(shù)。

1）電容器組分組固定的補償方式。主要是利用真空開關(guān)手動投切并聯(lián)電容器，這種補償方式投切時涌流大，開關(guān)壽命低，不能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)節(jié)［1］。

2）調(diào)壓式補償方式。根據(jù)Q=2πfCU2，改變電容器端電壓來調(diào)節(jié)無功輸出，實現(xiàn)自動補償。利用有載調(diào)壓變壓器（自耦式）調(diào)節(jié)電容器兩端的電壓，實現(xiàn)容性無功功率的調(diào)節(jié)；調(diào)壓式補償方式是細(xì)化了的分組自動投切，不能實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)節(jié)；變壓器受涌流沖擊和諧波影響，可靠性下降。無法實現(xiàn)濾波，甚至可能引起諧振的危險［2］。

3）SVC靜止無功補償技術(shù)。SVC技術(shù)是靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)之一，根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同，SVC技術(shù)又分為：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器 （TSC）、混合型（TCR+TSC）［2］。SVC靜止補償方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)原理簡單，相應(yīng)的SVC設(shè)備成本較低且便于維護(hù)，在無功功率控制、靈活性和諧波性能方面均優(yōu)于FC及電容補償，并具有三相平衡、限制電壓波動和改善閃變狀況的能力。

4）SVG動態(tài)無功補償技術(shù)。SVG是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補償?shù)难b置。SVG是以IGBT為核心的柔性交流輸電技術(shù)，代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補償技術(shù)新的發(fā)展方向［3］。動態(tài)補償裝置能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，實現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運行。由于SVG具有如此優(yōu)越的性能，是今后動態(tài)無功補償裝置的重要發(fā)展方向。

2　SVG動態(tài)無功補償技術(shù)

SVG依靠其內(nèi)部電子開關(guān)頻繁動作產(chǎn)生無功電流和諧波電流，SVG的基本原理就是自換相橋式電路（電壓源型逆變器）通過電抗器或者變壓器直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

2.1SVG原理

SVG將電壓源型逆變器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋2部分，其中逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。工作中，通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開關(guān)，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，整個裝置相當(dāng)于一個調(diào)相電源。通過檢測系統(tǒng)中所需的無功功率，可以快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功功率，實現(xiàn)無功功率平衡，保持系統(tǒng)實時高功率因數(shù)運行［4］。

SVG原理見圖1，將系統(tǒng)看作一個電壓源，SVG可以看作一個可控電壓源，連接電抗器可以等效成一個線形阻抗元件。

圖1　SVG原理

2.2SVG運行模式

SVG有3種運行模式見表1。

表1　SVG的三種運行模式

2.3SVG的控制方法

作為動態(tài)無功補償?shù)念愋椭?，SVG的控制策略的選擇是根據(jù)SVG實現(xiàn)的功能和應(yīng)用的場合，采用開環(huán)控制、閉環(huán)控制或者兩者結(jié)合的策略。在SVG中，外閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的控制信號被視為補償器應(yīng)產(chǎn)生的無功電流（或無功功率）的參考值，根據(jù)無功電流（或無功功率）參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需無功電流（或無功功率）的具體控制方法，控制方法可分為間接控制和直接控制。

1）電流間接控制方式。將SVG當(dāng)作交流電源看待，通過對SVG變流器所產(chǎn)生交流電壓基波相位和幅值的控制，來間接控制SVG的交流側(cè)電流。

2）電流直接控制方式。采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對電流波形的瞬時值進(jìn)行反饋控制，跟蹤型PWM控制技術(shù)采用滯環(huán)比較方式或者三角波比較方式。

2.4SVG技術(shù)特點

從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償技術(shù)有如下特點［5］：

1）響應(yīng)時間快。SVG響應(yīng)時間小于或等于10 ms；傳統(tǒng)靜補裝置響應(yīng)時間大于20 ms。SVG可在極短的時間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種響應(yīng)速度完全可以對沖擊性負(fù)荷的補償。

2）抑制電壓閃變能力強(qiáng)。SVG對電壓閃變的抑制可以達(dá)到5∶1，甚至更高，由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以提高抑制電壓閃變的能力。

3）運行范圍寬。SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。

4）補償功能多樣化。同一套SVG裝置，可以實現(xiàn)多種補償功能：

◇單獨補償負(fù)載無功；

◇單獨補償負(fù)載諧波；

◇單獨補償負(fù)載不平衡；

◇同時補償負(fù)載無功、諧波和不平衡。

5）濾除諧波功能。該技術(shù)自身產(chǎn)生的諧波含量極低，并能通過內(nèi)部檢測電路分離出其中的諧波部分，通過IGBT功率變換器產(chǎn)生與系統(tǒng)中的諧波大小相等相位相反的補償電流，實現(xiàn)濾除諧波的功能。

6）占地面積較小。由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。

2.5SVG動態(tài)無功補償裝置

SVG動態(tài)無功補償裝置包括功率單元、控制柜和充電柜3部分，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）控制柜由工業(yè)控制機(jī)、控制系統(tǒng)硬件和電源系統(tǒng)組成。用來控制SVG實現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)、監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、與上位機(jī)進(jìn)行通訊等。工業(yè)控制機(jī)是SVG系統(tǒng)的人機(jī)界面，用來設(shè)置SVG系統(tǒng)的運行參數(shù)，來監(jiān)控顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)。電源系統(tǒng)由2個獨立電源組成，同時為控制系統(tǒng)供電，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)硬件主要由主控單元和采樣單元組成，是SVG裝置的大腦。

2）功率柜主要由功率單元構(gòu)成，是SVG的主體。功率單元內(nèi)部主要由功率單元板、IGBT模塊、薄膜電容、突波吸收電容、型材散熱器等組成。功率單元板接收主控單元發(fā)來的控制信號，經(jīng)解碼生成觸發(fā)脈沖控制IGBT的開通與斷開，產(chǎn)生預(yù)期的補償電流；同時，還具有直流側(cè)電壓檢測、故障檢測及通訊功能。功率單元板檢測的直流電壓通過通訊功能傳到控制機(jī)系統(tǒng)；功率單元的故障檢測包括IGBT過流、直流側(cè)過壓和功率單元超溫等，檢測到功率單元故障時，會在第一時間實現(xiàn)對設(shè)備保護(hù)，并將故障信息反饋給控制機(jī)系統(tǒng)。

3）充電柜由接觸器、軟起電阻、避雷器等部分組成，是用來給系統(tǒng)充電并抑制諧波的。充電電阻用來限制SVG起動電流，充電完成后合上充電柜接觸器即可。三相電抗器串聯(lián)在SVG輸出側(cè)，用來抑制SVG諧波。

3　無功補償技術(shù)比較

無功補償技術(shù)的比較情況如表2所示。通過對6種無功補償技術(shù)的比較，可發(fā)現(xiàn)SVG相應(yīng)速度最快、諧波電流小、諧波特性好、運行損耗低、噪聲低、補償性能強(qiáng)、可實現(xiàn)動態(tài)快速連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出，適用于油田變電站的無功補償。

表2　無功補償技術(shù)比較

4　SVG動態(tài)無功補償技術(shù)應(yīng)用

SVG動態(tài)無功補償技術(shù)在勝利油田35 kV陳莊變電站得到應(yīng)用，陳莊變電站功率因數(shù)為0.86（低于0.95的國家標(biāo)準(zhǔn)），電壓畸變率為3.5%，（高于2%的國家標(biāo)準(zhǔn)），綜合衡量變電站的功率因數(shù)和電壓畸變率的情況，按照負(fù)荷重、采油負(fù)荷為主的選點原則，在陳莊變電站應(yīng)用SVG技術(shù)進(jìn)行無功自動補償和諧波治理，在6 kV母線側(cè)安裝容量為±4 MVA的SVG動態(tài)無功補償裝置1套。

按照SD 325—1989《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定220 kV及以下變電站按需要配置無功補償設(shè)備，容量可按主變?nèi)萘看?0%～30%進(jìn)行配置，并滿足主變壓器最大負(fù)荷時，其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為110～6 kV時，電壓總諧波畸變率為2.0%～4.0%。

該設(shè)備投入后，在無功功率、電壓調(diào)節(jié)、功率因數(shù)及諧波治理等方面取得了顯著的效果，其各項技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了相應(yīng)的要求：

1）實時功率因數(shù)值由0.86提升至0.987；電壓畸變率小于2%。

2）單套SVG輸出調(diào)節(jié)范圍為-100%～100%（無級可調(diào)）。

3）濾波效率大于90%。

4）SVG裝置全時響應(yīng)時間小于10 ms。

5）設(shè)備具有一定的短時間（1 min）過載能力，過載無功補償容量為成套裝置總?cè)萘康?0%。

6）裝置具備完善的控制保護(hù)和報警措施。在裝置故障時提供報警信號，嚴(yán)重故障時能封鎖SVG驅(qū)動脈沖，同時將裝置退出運行。

5　效益分析

5.1經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)勝利石油管理局能源檢測站對安裝于河口供電公司陳莊變電站動態(tài)無功補償裝置的能耗測試，采用SVG動態(tài)無功補償技術(shù)后，陳莊變電站無功補償實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，補償效果和質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)由改造前的0.86提高到0.987以上。陳莊變電站高壓端輸送線路鹽陳線線損由3.2%降至2%，變損由0.83%降至0.69%。

2014年鹽陳線線路損耗減少87.99×104kWh，陳莊變電站變損損耗減少9.65×104kWh。

2014年經(jīng)測量補償后陳莊變電站減少的總損耗97.64×104kWh，直接經(jīng)濟(jì)效益73.23萬元。

補償容量為±4MVA的SVG裝置投運后，運行電流下降，進(jìn)一步提高了變電站設(shè)備利用率，增強(qiáng)了用電高峰期時設(shè)備承載能力。

5.2社會效益

通過對變電站進(jìn)行無功補償后，間接補償了勝利發(fā)電廠機(jī)組無功，降低發(fā)電機(jī)的無功出力，提高發(fā)電機(jī)組效率，從而減少燃煤量，降低碳排放。

根據(jù)電煤折算量每10 000 kWh相當(dāng)于1.229 t標(biāo)煤，年度可減少損耗120 t標(biāo)煤。按照華北區(qū)域電網(wǎng)排放因子0.980 3 t/MWh（CO2），相當(dāng)于減少溫室氣體排放957.16 t（CO2）。

6　結(jié)論

1）根據(jù)勝利油田電網(wǎng)運行特點，確立了以SVG技術(shù)為基礎(chǔ)的動態(tài)無功補償方案，并進(jìn)行應(yīng)用試驗，收到良好的應(yīng)用效果。該變電站功率因數(shù)從0.86提升到0.98，諧波總電壓畸變低于2%，均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。該項目有效提高了電網(wǎng)運行效率和電能利用率，降低了電網(wǎng)損耗，提高了電壓質(zhì)量，保障了電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運行。

2）SVG動態(tài)無功補償技術(shù)兼有動態(tài)無功補償和諧波電流補償?shù)碾p重功能，具有響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍寬、補償效果好、占地面積小，安全性高的特點，該技術(shù)將傳統(tǒng)的靜態(tài)電容器無功補償改變?yōu)閯討B(tài)無功發(fā)生器補償方式，是無功補償技術(shù)質(zhì)的飛躍。

3）把先進(jìn)的SVG技術(shù)引入勝利油田電網(wǎng)是油田建設(shè)智能電網(wǎng)、綠色電網(wǎng)的典型案例，成功的應(yīng)用為油田電網(wǎng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行和提升電壓質(zhì)量提供了有力的技術(shù)保障，具有較大的應(yīng)用前景和推廣價值。

［1］楊孝志.幾種無功補償技術(shù)的分析和比較［J］.安徽電力.2006，23（2）：40-43.

［2］夏祖華，沈斐，胡愛軍，等.動態(tài)無功補償技術(shù)應(yīng)用綜述［J］.電力設(shè)備.2004，5（10）：27-31.

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［4］劉俊杰.靜止無功發(fā)生器（SVG）的研究與設(shè)計［D］.天津：天津理工大學(xué)，2012.

［5］蔣佃剛，吳迪.SVG的工作原理及應(yīng)用［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2015，9（3）：16-18.

（編輯莊景春）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.010

田愛蘭，工程師，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)學(xué)院，從事油田節(jié)能工作，E-mail：tianailan937.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市東營區(qū)菏澤路勝中熱力大隊，257000。

2016-01-24