王斌斌 武偉偉 羅小蕾(河南費(fèi)曼電力技術(shù)有限公司)
煤層氣的分布情況導(dǎo)致了開采時(shí)配電網(wǎng)存在供電線路長(zhǎng)且分支多的問(wèn)題;而為了保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)量,考慮到抽采設(shè)備工作時(shí)的特性,企業(yè)通常會(huì)選用功率較大的三相交流異步電動(dòng)機(jī),造成抽采設(shè)備和配電變壓器的負(fù)荷率低[1-3];所以,配電網(wǎng)存在功率因數(shù)低、線路損耗大、線路末端電壓低、設(shè)備利用率低等問(wèn)題。而傳統(tǒng)的分級(jí)投切固定電容器組的補(bǔ)償方式為補(bǔ)償成本低、補(bǔ)償容量有級(jí)差。靜止無(wú)功發(fā)生器能夠跟蹤快速變化的無(wú)功,補(bǔ)償精度高,但目前大容量的靜止無(wú)功發(fā)生器的成本較高[4-5]。無(wú)功混合補(bǔ)償裝置結(jié)合了兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn),實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載的無(wú)功變化,可以實(shí)現(xiàn)大容量、連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償。在提高配電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)、降低線路損耗的同時(shí),可有效控制無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀尽?/p>
為了最大限度減少無(wú)功功率在供電系統(tǒng)中的傳輸、釋放,提高供電和用電設(shè)備的利用率,通常采用的無(wú)功補(bǔ)償方式有以下3種。
1)集中補(bǔ)償。即在變電站中10 kV側(cè)進(jìn)行集中無(wú)功補(bǔ)償。根據(jù)“分層平衡,就地補(bǔ)償”的無(wú)功補(bǔ)償原則,在變電站中進(jìn)行的無(wú)功補(bǔ)償可提高變電站主變壓器的功率因數(shù),降低主變壓器無(wú)功損耗及其前級(jí)輸電線路的損耗;但對(duì)減少配電網(wǎng)整條線路的無(wú)功負(fù)荷和降低供電線路損耗的效果有限。
2)隨機(jī)補(bǔ)償。通常在抽水機(jī)的控制箱中設(shè)置幾組相應(yīng)容量的電容器,采用分級(jí)投切的方法進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由于電容器的額定容量是定值,不能連續(xù)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,存在欠補(bǔ)償或者過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r;再加上執(zhí)行投切操作時(shí)存在的延時(shí),導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч焕硐?。頻繁的執(zhí)行投切操作也會(huì)降低無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命。此外,抽水機(jī)數(shù)量眾多,采用隨機(jī)補(bǔ)償時(shí)工作量大,維護(hù)不易。
3)隨器補(bǔ)償。即在配電變壓器處進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。通常1臺(tái)配電變壓器帶4~10臺(tái)抽水機(jī),通過(guò)對(duì)該變壓器用電情況的分析,進(jìn)行合理的隨器補(bǔ)償。這不僅可以提高變壓器的功率因數(shù),降低配電網(wǎng)損耗,而且可以釋放變壓器的容量,具有較高的性價(jià)比??紤]到抽水機(jī)工作時(shí)負(fù)載無(wú)規(guī)律波動(dòng)的特殊性,采用隨器補(bǔ)償方式對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。
1)分級(jí)投切電容器組。分級(jí)投切電容器組由接觸器投切電容器(CSC)和晶閘管投切電容器(TSC)構(gòu)成。而抽水機(jī)作為煤層氣抽采的主要設(shè)備,其一個(gè)工作周期包括一個(gè)上沖程和一個(gè)下沖程,在一個(gè)工作周期內(nèi)有功功率和無(wú)功功率變化幅度大,功率因數(shù)變化快。采用分級(jí)投切電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)存在以下問(wèn)題:投切補(bǔ)償電容器有延時(shí),通常做不到實(shí)時(shí)補(bǔ)償;電容器的額定容量固定,補(bǔ)償容量是跳躍式的,存在補(bǔ)償不足或者過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r,無(wú)法完全補(bǔ)償;投切裝置頻繁動(dòng)作會(huì)降低補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、補(bǔ)償?shù)娜萘看蠹把a(bǔ)償?shù)某杀镜汀?/p>
2)靜止無(wú)功發(fā)生器。電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,使得靜止無(wú)功發(fā)生器(ESVG)在無(wú)功補(bǔ)償中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。ESVG是極性可調(diào)的無(wú)功電流裝置,根據(jù)負(fù)載的變化情況,通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,可以使ESVG連續(xù)發(fā)出或者吸收無(wú)功電流,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?,補(bǔ)償效果好[6]。但大容量的ESVG成本較高,而配電變壓器數(shù)量眾多,所以只采用ESVG進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)的成本也較高。
3)TSC和ESVG的混合補(bǔ)償。無(wú)功混合補(bǔ)償裝置采用TSC和ESVG的組合方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。利用TSC對(duì)配電網(wǎng)中的無(wú)功功率進(jìn)行分級(jí)補(bǔ)償,利用ESVG對(duì)系統(tǒng)無(wú)功和TSC之間的無(wú)功差額以及系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)無(wú)功進(jìn)行跟蹤,實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。兩者相結(jié)合的補(bǔ)償方法避免了補(bǔ)償不足或者過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r發(fā)生,提高了補(bǔ)償效果,降低了補(bǔ)償成本。合理設(shè)置TSC和ESVG的容量比可有效降低無(wú)功補(bǔ)償?shù)某杀?,是無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)發(fā)展方向。文中采用混合補(bǔ)償方式對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。
無(wú)功混合補(bǔ)償設(shè)備中,ESVG和TSC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)(圖1)。其中ESVG采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成三相橋式變流電路,通過(guò)LC濾波器接入系統(tǒng);利用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)法控制IGBT的通斷,使ESVG發(fā)出無(wú)功功率或者吸收無(wú)功功率。根據(jù)接收到的補(bǔ)償指令信號(hào),ESVG在容量范圍內(nèi)可以快速連續(xù)跟蹤補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率,輸出無(wú)功功率不受系統(tǒng)電壓的影響。利用TSC進(jìn)行無(wú)功分級(jí)補(bǔ)償:在電壓過(guò)零時(shí)投入電容器,在電流過(guò)零時(shí)切除電容器,減少投切過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)和補(bǔ)償裝置帶來(lái)的沖擊影響[7-9]。無(wú)功混合補(bǔ)償裝置集合了兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn),根據(jù)負(fù)載無(wú)功功率的變化情況,適時(shí)作出合理的決策進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,提高配電網(wǎng)的功率因數(shù)。
圖1 混合補(bǔ)償設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid compensation equipment
混合補(bǔ)償裝置中ESVG和TSC的容量配比及TSC中電容器的容量分配,是影響補(bǔ)償效果和補(bǔ)償成本的重要因素。通過(guò)分析系統(tǒng)在不同時(shí)間段的無(wú)功需求,可以得到系統(tǒng)無(wú)功缺額中的平均靜態(tài)容量及動(dòng)態(tài)容量的最大值[10]。利用公式(1)可以求得TSC的補(bǔ)償容量及ESVG的補(bǔ)償容量:
式中:QT為TSC的補(bǔ)償容量,kVar;Qj為無(wú)功缺額的平均靜態(tài)容量,kVar;QE為ESVG的補(bǔ)償容量,kVar;Qdx為系統(tǒng)無(wú)功缺額的動(dòng)態(tài)容量最大值,kVar;k為系數(shù),由電容器的額定工作電壓和系統(tǒng)電壓比值的平方確定。
TSC的容量分配則需要根據(jù)補(bǔ)償容量和系統(tǒng)無(wú)功缺額中的最小靜態(tài)值共同決定。通過(guò)對(duì)煤層氣抽采供電系統(tǒng)的無(wú)功需求分析,分別選取額定容量為5 kVar和10 kVar的電容器作為基準(zhǔn)單元。
以75 kVar混合補(bǔ)償裝置為例,ESVG的額定補(bǔ)償容量設(shè)置為30 kVar,TSC的額定補(bǔ)償容量設(shè)置為45 kVar,取5 kVar作為基準(zhǔn)單元,容量以1∶2∶2∶4的比例分配,則TSC可以提供的補(bǔ)償容量如表1所示。
由表1可知,在額定容量范圍內(nèi),TSC可以提供9種不同的補(bǔ)償容量與ESVG配合,第n+1組和第n組之間的補(bǔ)償容量差額均為5 kVar。ESVG輸出的無(wú)功功率由系統(tǒng)無(wú)功缺額和TSC的補(bǔ)償容量共同決定:
表1 TSC補(bǔ)償容量Tab.1 TSC compensation capacity
式中:Qe為ESVG輸出的無(wú)功功率,kVar;Q為系統(tǒng)無(wú)功缺額,kVar;Qt為TSC輸出的補(bǔ)償容量,kVar;n為組別,取值范圍是1≤n≤9。
當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功缺額為0<Q≤45 kVar時(shí),n向下取整;當(dāng)45 kVar<Q≤75 kVar時(shí),n取9。
控制系統(tǒng)中硬件以TMS320F28335作為控制單元,圍繞該處理器設(shè)計(jì)相應(yīng)的指令檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)跟蹤控制電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等。TMS320F28335的時(shí)鐘頻率最高可以設(shè)置為150 MHz,處理器的速度快、精度高、功耗小,片外設(shè)備的集成度高,數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)量大,并且具有浮點(diǎn)計(jì)算能力。軟件開發(fā)環(huán)境為CCS3.3,在集成開發(fā)環(huán)境中通過(guò)Graph窗口可以圖形顯示數(shù)據(jù),方便對(duì)比數(shù)據(jù),適時(shí)調(diào)整控制程序,也可通過(guò)上位機(jī)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。
控制系統(tǒng)中軟件由主程序、中斷服務(wù)程序及采樣子程序構(gòu)成。主程序的作用是完成系統(tǒng)中的ePWM(增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器)、ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)、GPIO(通用數(shù)字輸入/輸出端口)等模塊的初始化及各級(jí)中斷使能,主程序流程如圖2a所示。中斷服務(wù)程序調(diào)用AD采樣子程序,完成系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、補(bǔ)償電流和直流電壓的采樣,計(jì)算系統(tǒng)的相序、頻率、功率因數(shù)及無(wú)功功率等參數(shù),確定無(wú)功補(bǔ)償容量,根據(jù)ESVG和TSC的容量配比確定補(bǔ)償方案,中斷服務(wù)程序流程如圖2b所示。捕獲中斷的作用是鎖相及跟隨電網(wǎng)電壓的頻率。故障中斷具有最高的優(yōu)先級(jí),出現(xiàn)故障時(shí),故障中斷被觸發(fā),設(shè)備進(jìn)入保護(hù)狀態(tài),閉鎖輸出。
圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart
在設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下,制作了設(shè)備樣機(jī),樣機(jī)容量為75 kVar,其中TSC容量為45 kVar,共分為4組:5+10+10+20;ESVG容量為30 kVar。為了驗(yàn)證裝置的補(bǔ)償效果,在某集團(tuán)公司二工區(qū)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。由表2可知,無(wú)功混合補(bǔ)償裝置投入后,各變壓器的功率因數(shù)在0.98以上,補(bǔ)償效果良好,裝置的補(bǔ)償性能滿足設(shè)計(jì)要求。
表2 二工區(qū)裝置補(bǔ)償效果測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of device compensation effect in No.2 work area
以1號(hào)變壓器為例,該變壓器額定容量為200 kVA,補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.30~0.82,有功功率為15~60 kW,無(wú)功功率為35~62 kVar。
無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行前配電網(wǎng)的電壓和電流波形如圖3a所示。A相電壓Ua的相位超前電流Ia為50.76°,補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.63,電流有效值為136.5 A。無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行后配電網(wǎng)的電壓和電流的波形如圖3b所示。A相電壓Ua的相位超前電流Ia為14.4°,補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.97,電流有效值為90.5 A。補(bǔ)償后該條配電線路的線損降低率η為
圖3 補(bǔ)償前后電壓、電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms before and after compensation
式中:cosφ1為補(bǔ)償前功率因數(shù);cosφ2為補(bǔ)償后功率因數(shù)。
根據(jù)《變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》和《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定,無(wú)功功率補(bǔ)償后節(jié)約的有功功率為:
式中:ΔPU為有功功率下降值,kW;KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量,三次變壓取0.08~0.1;QC為就地補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率,kvar;P為系統(tǒng)的有功功率,kW。
根據(jù)公式(5)、(6)計(jì)算,可得補(bǔ)償后的有功功率下降值為4.5 kW。按每天工作24 h、年工作330天計(jì)算,補(bǔ)償后的年節(jié)電量為3.5×104kWh;按電費(fèi)0.725元/kWh計(jì)算,年節(jié)電費(fèi)用為25 375元。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了無(wú)功混合補(bǔ)償裝置具有良好的無(wú)功補(bǔ)償效果,可有效解決煤層氣抽采中的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。該裝置有效結(jié)合了TSC和ESVG兩種無(wú)功補(bǔ)償方式的優(yōu)點(diǎn),能實(shí)時(shí)跟蹤配電網(wǎng)無(wú)功功率的變化,并根據(jù)兩者的容量作出合理的決策,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率連續(xù)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償,避免了欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償?shù)陌l(fā)生;可有效降低變壓器的無(wú)功損耗和配電網(wǎng)的線損,實(shí)現(xiàn)了綠色用電。在控制補(bǔ)償成本的同時(shí)可取得較好的補(bǔ)償效果。