馬慧超，唐 煒，陳 莉，樊貝貝，張 慶

（1.中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津 300457；2.中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，山東 青島 266580；3.中石化中原油田分公司供電服務(wù)中心，河南 濮陽 457000；4.中國石化天然氣分公司，北京 100029；5.青島瑞能達(dá)電氣技術(shù)有限公司，山東 青島 266000）

0 引 言

液化天然氣（LNG）供電站負(fù)荷大多為無功損耗較高的電動(dòng)機(jī)，定補(bǔ)后雖然也有電壓調(diào)控作用，系統(tǒng)功率因數(shù)基本能滿足要求[1-3]，但由于其無法及時(shí)響應(yīng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化及外電網(wǎng)電壓暫降造成的電壓快速變動(dòng)而存在如下問題[4-6]：外電網(wǎng)電壓暫降晃停電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)啟停或者重加速瞬間無功需求大，補(bǔ)償不足，母線電壓快速跌落，容易觸發(fā)相鄰電動(dòng)機(jī)的過流保護(hù)和低壓保護(hù)等，使無功功率分布更加不平衡，導(dǎo)致電壓進(jìn)一步下降，如此惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致電壓失穩(wěn)，造成企業(yè)關(guān)鍵用電設(shè)備大面積非停[7-9]；輕載情況下出現(xiàn)過補(bǔ)，向電網(wǎng)倒送無功，增加線損，同時(shí)也容易導(dǎo)致諧振過電壓[10]。

只有監(jiān)測統(tǒng)計(jì)站區(qū)電壓的動(dòng)態(tài)情況，確定造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)的關(guān)鍵因素，合理確定電壓穩(wěn)定裝置布置點(diǎn)和無功等補(bǔ)償量，才能實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，減少因電壓問題的非停次數(shù)，降低網(wǎng)損，提升企業(yè)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平[11]。因此，進(jìn)行供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定優(yōu)化調(diào)控具有重要意義[12]。本文基于典型液化天然氣（LNG）廠區(qū)的電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，建立電磁暫態(tài)仿真模型，對影響電壓質(zhì)量的關(guān)鍵因素展開研究，基于討論結(jié)果為提升電能質(zhì)量的方法提供優(yōu)化建議。

1 典型LNG廠區(qū)的概況和電網(wǎng)模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算現(xiàn)場等值電路各部分的標(biāo)幺值，在Digsilent軟件中進(jìn)行電氣設(shè)備建模。

1.1.1 線路模型

短線路采用串聯(lián)的阻抗Z=R+jX等值，中長線采用π型等值線路，長線路使用分布參數(shù)進(jìn)行建模。

1.1.2 變壓器模型

雙繞組變壓器的方程為：

1.1.3 負(fù)荷模型

用電設(shè)備的種類雖然很多，但都是由基本負(fù)荷組成的，包括異步電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)、電加熱爐、整流設(shè)備和照明設(shè)備。異步電動(dòng)機(jī)的等值電路為：

1.1.4 電力系統(tǒng)等值電路

經(jīng)過長期的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，標(biāo)幺值的等值電路在電力系統(tǒng)中適用最好，具體步驟如下。

（1）基準(zhǔn)值的選?。哼x取統(tǒng)一功率基準(zhǔn)SB=100 MVA或SB=1 000 MVA。

（2）參數(shù)標(biāo)幺化：選擇基準(zhǔn)值后，可以按照前面的方法將參數(shù)進(jìn)行標(biāo)幺化。

（3）做出系統(tǒng)的等值電路：參數(shù)進(jìn)行標(biāo)幺化后，可以做出系統(tǒng)的等值電路，如圖1所示。

圖1 等值電路

1.2 仿真模型

廠區(qū)變電站主變?nèi)萘?×25 MVA（#1、#2主變），110 kV電源線2回；6 kV出線14回；每臺主變裝設(shè)1×4 008 kVar電容器組。本站110 kV側(cè)設(shè)備及配電裝置短路水平按照不低于31.5 kA設(shè)計(jì)，6 kV側(cè)設(shè)備及配電裝置短路水平按照不低于31.5 kA設(shè)計(jì)。主接線圖和廠區(qū)電力系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

2 6 kV集中式無功補(bǔ)償對電網(wǎng)功率因數(shù)的影響

無功補(bǔ)償是維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的一種常用措施。目前，無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^為成熟，大多采取集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和個(gè)別補(bǔ)償3種方法。不同的電壓穩(wěn)控措施，對系統(tǒng)功率因數(shù)影響不同。因此，本部分將系統(tǒng)無補(bǔ)償、系統(tǒng)進(jìn)行集中式定補(bǔ)償和分散補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行對比，討論在維持電壓穩(wěn)定方面的優(yōu)勢。

2.1 系統(tǒng)無補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)情況

當(dāng)LNG廠區(qū)電力系統(tǒng)不采取任何補(bǔ)償時(shí)，由圖3可知，在此種運(yùn)行方式下總變母線電壓為0.97 p.u.，區(qū)變一運(yùn)行電壓為0.96 p.u.，區(qū)變二運(yùn)行電壓為0.96 p.u.，系統(tǒng)電壓運(yùn)行在較低狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)對外功率因數(shù)為0.862，不符合電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求。其中，變電所一的功率因數(shù)為0.92，變電所二的功率因數(shù)為0.83。綜上，如不補(bǔ)償，則不滿足電網(wǎng)供電要求，其中總變電所和變電所二必須補(bǔ)償。

2.2 6 kV集中式定補(bǔ)4.008 Mvar的功率因數(shù)情況

由圖4可知，在6 kV集中式定補(bǔ)4.008 Mvar的運(yùn)行方式下，總變母線電壓為0.99 p.u.，變電所一運(yùn)行電壓為0.98 p.u.，變電所2二運(yùn)行電壓為0.97 p.u.，系統(tǒng)電壓運(yùn)行在較低狀態(tài)。相較于無補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)的電壓有所恢復(fù)。整個(gè)系統(tǒng)對外功率因數(shù)為0.98，其中變電所一的功率因數(shù)為0.92，變電所二的功率因數(shù)為0.83。綜上所述，總變集中補(bǔ)償達(dá)到了滿足電網(wǎng)供電的要求，但是對比無補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，此種補(bǔ)償方式主變過補(bǔ)而變電所一和二欠補(bǔ)，引起了系統(tǒng)電壓分布不均。在主變和區(qū)變間進(jìn)行大量的無功流動(dòng)，造成廠區(qū)損耗增加。

2.3 系統(tǒng)采用分散補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)情況

此處未做優(yōu)化，只是簡單綜合前面兩部分討論給出的一種可行的分散補(bǔ)償方法，即總部每條母線補(bǔ)償1 Mvar，變電所一補(bǔ)償1.1 Mvar，變電所二補(bǔ)償5 Mvar。由圖5可知，在此種運(yùn)行方式下，總變母線電壓為1 p.u.，變電所一運(yùn)行電壓為1 p.u.，變電所二運(yùn)行電壓為1 p.u.，系統(tǒng)電壓運(yùn)行運(yùn)行較為理想。整個(gè)系統(tǒng)對外功率因數(shù)為0.999接近于1，其中變電所一的功率因數(shù)為1，變電所二的功率因數(shù)為0.978。變電所二的功率因數(shù)還有問題，可以發(fā)現(xiàn)變電所一和主變補(bǔ)償可能基本上夠用，變電所二的補(bǔ)償偏少，主要原因是沒有優(yōu)化，只是憑經(jīng)驗(yàn)配置，效果雖然很好但仍有待改進(jìn)空間。

圖2 典型LNG變電所建模圖

對比發(fā)現(xiàn)該方法總的補(bǔ)償量增加了，增加補(bǔ)償量存在成本損耗。這部分成本是否能夠小于降低網(wǎng)損、穩(wěn)定電壓、提高功率因數(shù)所帶來的收益，需要通過優(yōu)化方法來解決。

3 電動(dòng)機(jī)的啟停等因素對電壓穩(wěn)定的影響

3.1 變電所二BOG壓縮機(jī)啟停對電壓穩(wěn)定的影響

如圖6所示，該BOG壓縮機(jī)接于區(qū)變二6 kV母線上，額定功率為1 000 kW，額定功率因數(shù)為0.74，正常運(yùn)行時(shí)效率為99%，額定轉(zhuǎn)速2 971.419 r/p。啟動(dòng)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)的沖擊功率和轉(zhuǎn)矩達(dá)到其額定的3.8倍，正序沖擊電流達(dá)到8.8倍，需要的最大無功在11 Mvar以上。如此大的無功需求和電流，導(dǎo)致本機(jī)機(jī)端的電壓出現(xiàn)電壓暫降，最大暫降深度達(dá)到0.6 p.u.。

由圖7可知，為加快仿真速度，BOG壓縮機(jī)單機(jī)0.5 s時(shí)切除，1.0 s時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)（實(shí)際電動(dòng)機(jī)停機(jī)后必須手動(dòng)啟動(dòng)）。切除過程中，總變、變電所二、變電所一電壓都有不同程度的上升，系統(tǒng)處于微過壓運(yùn)行狀態(tài)，但是也算正常運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)造成其他影響。在它的啟動(dòng)過程中，本機(jī)極端電壓下降到0.938，110 kV側(cè)降低較少，對外電網(wǎng)影響小。變電所一降低到0.98 p.u.，對變電所一正常運(yùn)行影響不大。變電所二減低0.96，沒有穿越0.95的供電要求。

3.2 變電所二高壓外輸泵機(jī)啟停對電壓穩(wěn)定影響

圖3 無補(bǔ)償情況下的功率因數(shù)

圖4 集中定補(bǔ)情況下的功率因數(shù)

圖5 分散補(bǔ)償情況下的功率因數(shù)

圖6 BOG壓縮機(jī)啟動(dòng)仿真結(jié)果

如圖8所示，該高壓外輸泵接于變電所二6 kV母線上，額定功率為1 875 kW，額定功率因數(shù)為0.8，正常運(yùn)行時(shí)效率為99%，額定轉(zhuǎn)速2 971 r/m。啟動(dòng)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)的沖擊功率和轉(zhuǎn)矩達(dá)到其額定的2.9倍，正序沖擊電流達(dá)到8.3倍，需要的最大無功在17.74 Mvar以上。如此大的無功需求和電流，導(dǎo)致本機(jī)機(jī)端的電壓出現(xiàn)電壓暫降，最大暫降深度達(dá)到0.12 p.u.。

由圖9可知，為加快仿真速度，高壓外輸泵單機(jī)0.5 s時(shí)切除，1.0 s時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)（實(shí)際電動(dòng)機(jī)停機(jī)后必須手動(dòng)啟動(dòng)）。切除過程中，總變、變電所二、變電所一電壓都有不同程度的上升，但是也算正常運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)造成其他影響。在它的啟動(dòng)過程中，造成相鄰電動(dòng)機(jī)端如BOG壓縮機(jī)端電壓下降到0.924，110 kV側(cè)降低較少，對外電網(wǎng)影響小。變電所一降低到0.953 p.u.，沒有穿越0.95的供電要求，對變電所一正常運(yùn)行影響不大。變電所二降低0.26，對變電所二有一定影響，但也基本未列入電壓暫降統(tǒng)計(jì)的行列。

3.3 變電所二高壓外輸泵和BOG壓縮機(jī)同時(shí)啟停對電壓穩(wěn)定影響分析

如果前述一臺高壓外輸泵和一臺BOG壓縮機(jī)同時(shí)啟停，由圖10可知，同時(shí)停機(jī)對系統(tǒng)影響較小，系統(tǒng)未出現(xiàn)較大的過電壓。但是，同時(shí)啟時(shí)對系統(tǒng)影響大，同時(shí)啟動(dòng)造成系統(tǒng)母線的電壓暫降，引起電壓穩(wěn)定問題。一般來講，該兩臺機(jī)組不但自身無法啟動(dòng)很可能會(huì)造成相鄰機(jī)組尤其是變電所二的機(jī)組出現(xiàn)晃?，F(xiàn)象，還會(huì)對變頻控制和接觸器控制產(chǎn)生更大影響。所以，機(jī)組啟停順序一定要做好優(yōu)化，不僅考慮要工藝問題，還要考慮電網(wǎng)的能力。

當(dāng)前的補(bǔ)償方式為集中式補(bǔ)償4.008 Mvar。按照前述分析，給出一種可行的分布式補(bǔ)償方法（總部每條母線補(bǔ)償1 Mvar，變電所一補(bǔ)償1.1 Mvar，變電所二補(bǔ)償5 Mvar）。相應(yīng)BOG啟停，高壓外輸泵啟停，兩者同時(shí)啟停仿真總結(jié)電壓的關(guān)鍵點(diǎn)如表1所示。

對比分析得到如下結(jié)論：

（1）BOG壓縮機(jī)和高壓外輸泵的啟停對電壓穩(wěn)定產(chǎn)生了影響，均會(huì)引起電壓的波動(dòng)；

（2）高壓外輸泵較BOG壓縮機(jī)對電壓的影響更大，引起了更嚴(yán)重的暫升和暫降；

（3）BOG和高壓外輸泵同時(shí)啟動(dòng)，會(huì)造成母線電壓下降到0.82 p.u.，持續(xù)時(shí)間在200～300 ms，足以引發(fā)相鄰機(jī)組被晃停（尤其變頻設(shè)備和按照國外保護(hù)要求設(shè)計(jì)的機(jī)組）或者大面積非停的事件；

（4）可以推斷，同母線兩臺外輸泵同時(shí)啟動(dòng)的問題更嚴(yán)重；

（5）分散補(bǔ)償較現(xiàn)有集中補(bǔ)償在電壓穩(wěn)定方面更具優(yōu)勢；

圖7 BOG壓縮機(jī)啟停機(jī)仿真結(jié)果

圖8 高壓外輸泵機(jī)啟動(dòng)仿真結(jié)果

表1 BOG壓縮機(jī)和高壓外輸泵機(jī)同時(shí)啟停仿真電壓關(guān)鍵點(diǎn)

圖9 高壓外輸泵機(jī)啟停機(jī)仿真結(jié)果

圖10 BOG壓縮機(jī)和高壓外輸泵機(jī)同時(shí)啟停機(jī)仿真結(jié)果

（6）未經(jīng)優(yōu)化的就地分散補(bǔ)償不能達(dá)到電壓穩(wěn)定的目標(biāo)。

因此，建議采用優(yōu)化就地補(bǔ)償或采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文通過建立典型LNG廠區(qū)的電力系統(tǒng)仿真模型，研究了6 kV集中式無功補(bǔ)償對電網(wǎng)功率因數(shù)的作用效果和電動(dòng)機(jī)啟停等因素對電壓穩(wěn)定的影響規(guī)律，主要得到如下結(jié)論：

（1）總變集中補(bǔ)償雖然達(dá)到了足電網(wǎng)供電要求，但是對比無補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，此種補(bǔ)償方式主變過補(bǔ)而區(qū)變欠補(bǔ)，引起了系統(tǒng)電壓分布不均，在主變和區(qū)變間進(jìn)行大量的無功流動(dòng)，造成廠區(qū)損耗增加；

（2）分散補(bǔ)償基本能滿足需求，該方法總的補(bǔ)償量增加了，當(dāng)增加補(bǔ)償量的成本小于降低網(wǎng)損時(shí)，才可以在穩(wěn)定電壓的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，因此提高功率因數(shù)所帶來的收益需要通過優(yōu)化方法來解決；

（3）壓縮機(jī)和高壓外輸泵的啟停均會(huì)引起電壓波動(dòng)，高壓外輸泵對電壓的影響更大，而母線兩臺外輸泵同時(shí)啟動(dòng)的問題更嚴(yán)重，建議采用優(yōu)化就地補(bǔ)償或者動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。