變電站自動無功補(bǔ)償技術(shù)分析

鮑兵 陳學(xué)梅 陳津剛 趙中山 李紅艷 祖振昆

（大港油田公司采油工藝研究院 天津 200380）

1 變電站無功補(bǔ)償?shù)淖饔?/h2>

在油田生產(chǎn)中用于驅(qū)動采油、注水、輸油設(shè)備的電機(jī)和配電用的變壓器均為感性負(fù)荷，在運行過程中電網(wǎng)不僅需要向這些設(shè)備提供有功功率，而且同時需要提供無功功率。無功功率不是負(fù)載實際消耗的功率，而是在電網(wǎng)和負(fù)載之間不斷交換的功率。為了降低電網(wǎng)輸送的無功功率，在變電站一般是把具有容性無功輸出的電容器與感性無功負(fù)荷并聯(lián)在同一電路。經(jīng)過電容器無功補(bǔ)償后，負(fù)載所需要的無功功率絕大部分由電容器提供，電網(wǎng)輸送的無功電流大大減少，電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行的水平得到提高。

變電站無功補(bǔ)償?shù)淖饔弥饕校?/p>

（1）提高電網(wǎng)功率因數(shù)；

（2）降低電網(wǎng)運行電流；

（3）降低導(dǎo)線及變壓器功率損失；

（4）提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量；

（5）增加輸電線路和變壓器使用裕度。

如圖所示，電容補(bǔ)償后，電網(wǎng)輸送電流I從I1降到I2,使得電網(wǎng)損耗降低，壓降降低，功率因數(shù)升高，同時電網(wǎng)使用裕度也增加。

圖1 無功補(bǔ)償電路圖和相量圖

2 無功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀及存在問題

2.1 無功補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀

目前大港油田有變電站30座，電容器總?cè)萘?5.4萬kVar,約占變壓器總?cè)萘?/3。無功補(bǔ)償普遍采取的方式為電容器固定式靜態(tài)補(bǔ)償，人工投切。這種方式接線簡單、設(shè)備少、投資小，但存在技術(shù)落后，跟蹤效果差的缺點，容易出現(xiàn)欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r。以港東110kV變電站為例，在用電高峰期，有功功率 6.03～17.85MW，無功功率 0.08～3.21MVar，平均功率因數(shù)>0.98，雖然功率因數(shù)很高，但在用電高峰時無功功率的需求量很大，無功補(bǔ)償量不足，屬于欠補(bǔ)償狀態(tài)；在用電低谷期，有功功率1.95～6.50MW，無功功率-0.26～-1.58MVar，平均功率因數(shù)>0.96，雖然平均功率因數(shù)很高，但在用電低谷時無功功率的需求量降低，無功補(bǔ)償量過大，屬于過補(bǔ)償狀態(tài)。

2.2 存在問題

（1）值班員根據(jù)功率因數(shù)大小和電壓水平分析判斷后，人工投切電容器，無功補(bǔ)償跟蹤速度慢，效果差。

（2）由于負(fù)荷的變化，無功功率也隨之發(fā)生變化，如果還按照固定容量補(bǔ)償，容易出現(xiàn)過補(bǔ)償（無功功率需求降低時）和欠補(bǔ)償（無功功率需求增加時），造成電網(wǎng)電壓波動，縮短電氣設(shè)備使用壽命。

（3）人工投切電容器時，還存在操作時的安全風(fēng)險。

3 自動無功補(bǔ)償技術(shù)分析

根據(jù)無功功率需量和電網(wǎng)電壓大小自動快速補(bǔ)償無功功率，目前主要有三種技術(shù)。

HVC：High Voltage Capacitor接觸器控制電容器組

TSC：Thyristor Switching Capacitor可控硅控制電容器組

SVG：Static Var Generator靜態(tài)無功發(fā)生器

3.1 HVC技術(shù)

HVC技術(shù)是采用真空接觸器控制分組投切電容器，實現(xiàn)無功自動跟蹤補(bǔ)償。它的優(yōu)點是裝置簡單、占地面積小、投資少。適合負(fù)荷平穩(wěn)、波動小的變電站無功補(bǔ)償。存在的缺點有：

（1）對波動大、沖擊性負(fù)荷，HVC做不到動態(tài)跟蹤，不能頻繁投切；

（2）電容投入瞬間，電容器的沖擊電流會在系統(tǒng)電壓波形上產(chǎn)生凹陷，影響電能質(zhì)量，會影響到系統(tǒng)的其它設(shè)備正常運行；

（3）分組投切，補(bǔ)償精度比較粗，更做不到連續(xù)補(bǔ)償；

（4）電源特性不好，系統(tǒng)電壓偏低時，正是最需要補(bǔ)償電容器出力的時候，但電容器的輸出補(bǔ)償容量按電壓的平方急劇下降，不利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

圖2 分組機(jī)械投切電容器示意圖

3.2 TSC技術(shù)

TSC技術(shù)是采用可控硅作為開關(guān)元件分組投切電容器，實現(xiàn)無功自動跟蹤補(bǔ)償。它的優(yōu)點有：

（1）能快速跟蹤變化的負(fù)荷，實現(xiàn)動態(tài)投切，響應(yīng)時間≤20ms；

（2）采用過零投切先進(jìn)技術(shù)，保證電容器投切瞬間無沖擊涌流；

（3）自身不產(chǎn)生諧波。

TSC技術(shù)適合系統(tǒng)內(nèi)有沖擊性變化負(fù)荷，無功補(bǔ)償量需要頻繁變化的場合。它的缺點是：電容器分組投切，補(bǔ)償容量有臺階，不能連續(xù)輸出無功，在需要精確補(bǔ)償場合，電容器分組要多，占地面積大，成本增加。

圖3 可控硅分組投切電容器示意圖

3.3 SVG技術(shù)

SVG技術(shù)原理是將電壓型變流器通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，控制變流器交流側(cè)輸出電壓相位與電源相位一致，調(diào)節(jié)變流器交流側(cè)輸出電壓的幅值，就可以使其吸收或發(fā)出可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功電流。它的優(yōu)點有：

（1）雙向連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率輸出；

（2）響應(yīng)速度快，時間≤10ms；

（3）補(bǔ)償器無功輸出受接入點電壓影響小。

它的缺點有：

（1）裝置體積較大，投資較高；

（2）補(bǔ)償電流有少量諧波。

圖4 靜態(tài)無功功率發(fā)生裝置示意圖

3.4 自動無功補(bǔ)償技術(shù)性能比較

表1 自動無功補(bǔ)償技術(shù)性能比較表

從上表可以看出，HVC由于結(jié)構(gòu)簡單，在設(shè)備投資方面具有明顯優(yōu)勢；SVG響應(yīng)速度快，可以實現(xiàn)雙向連續(xù)無功補(bǔ)償，并且沒有電容器，不會產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振，這些優(yōu)良性能都是HVC和TSC所無法比擬的。

4 變電站無功補(bǔ)償技術(shù)優(yōu)化方案

為了滿足大港灘海油田生產(chǎn)用電需求，2010年要建成投產(chǎn)埕海110kV變電站。埕海110kV變電站，設(shè)計一期主變?nèi)萘?0000kVA，二期主變?nèi)萘?0000kVA，采用有載調(diào)壓方式，電壓等級為110/35/10kV。110kV側(cè)、35kV側(cè)、10kV側(cè)均采用單母線分段接線。主要設(shè)備采用先進(jìn)技術(shù)，其中110kV開關(guān)采用SF6封閉式組合電器，35kV開關(guān)采用SF6氣體絕緣開關(guān)柜，10kV開關(guān)采用永磁機(jī)構(gòu)真空開關(guān)柜。10kV無功補(bǔ)償設(shè)計容量為2×4200kVar。變電站為埕海一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、聯(lián)合站和羊二莊油田供電，主要用電設(shè)備有油井、注水泵、輸油泵和天然氣壓縮機(jī)，用電負(fù)荷預(yù)測達(dá)到1.6萬kWh。埕海油田用電特點是產(chǎn)能建設(shè)期間負(fù)荷變化大，投產(chǎn)后負(fù)荷相對穩(wěn)定。

通過對無功補(bǔ)償新技術(shù)的分析，結(jié)合埕海油田的特點，從技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性綜合考慮，設(shè)計以下四套不同的方案:

*采用HVC接觸器控制方式，電容分三組:600kVar、1200kVar、2400kVar；

*采用TSC可控硅控制方式，電容分三組:600kVar、1200kVar、2400kVar；

*采用TSC+HVC組合方式，電容分三組:TSC控制 600kVar,HVC 控制 1200kVar、2400kVar；

*采用SVG+HVC組合方式，SVG控制750kVar、HVC 控制兩組電容：1500kVar、2000kVar

4.1 方案一：采用HVC接觸器控制方式

采用接觸器投切電容器的HVC補(bǔ)償方式，能跟蹤負(fù)荷變化，分組投切電容器，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，自身功耗低。但補(bǔ)償裝置要分組投切，每級級差在600kVar，會出現(xiàn)無功不能被精確補(bǔ)償、功率因數(shù)不高的情況。若增加HVC的分組數(shù)，把級差做小了，會增加設(shè)備的投資，性價比下降。

表2 HVC 控制方式下補(bǔ)償及動作情況

4.2 方案二：采用TSC可控硅控制方式

TSC可控硅控制裝置與采用接觸器投切電容器的HVC方式比，TSC能快速跟蹤負(fù)荷變化，分組投切電容器，提高功率因數(shù)，自身不產(chǎn)生諧波，同時還可以通過精確控制可控硅做到過零投切，減少沖擊電流，提高設(shè)備使用壽命。但TSC裝置價格高，效率低，同時 6（10）kV補(bǔ)償級差也在 600kVar，會出現(xiàn)無功不能被精確補(bǔ)償、功率因數(shù)不高的情況。若增加TSC的分組數(shù)，把級差做小了，會增加設(shè)備投資。

表3 TSC可控硅控制方式下補(bǔ)償及動作情況

4.3 方案三：采用TSC+HVC組合方式

用成本低的HVC做固定補(bǔ)償，TSC做動態(tài)補(bǔ)償，利用HVC結(jié)構(gòu)簡單、成本低和TSC能快速跟蹤負(fù)荷變化，可以頻繁投切電容器的特點，可以達(dá)到降低裝置成本，提高裝置使用壽命的目的。但仍然存在補(bǔ)償級差高，無功不能被連續(xù)補(bǔ)償、功率因數(shù)不高的缺點。

表4 TSC+HVC組合方式下補(bǔ)償及動作情況

4.4 方案四：采用SVG+HVC組合方式

SVG+HVC裝置充分利用SVG連續(xù)雙向補(bǔ)償和HVC成本低的特點，SVG的容量只占到18%，但全套裝置仍具有-750～4250kVar的連續(xù)無功調(diào)節(jié)功能，能夠自動連續(xù)補(bǔ)償無功功率，做到精確補(bǔ)償，而且設(shè)備投資費用下降，性價比提升。

表5 SVG+HVC組合方式下補(bǔ)償及動作情況

3.5 綜合對比及節(jié)電效果分析

四套無功補(bǔ)償方案的綜合對比如下：

表6 無功補(bǔ)償方案性能比較表

從上述對比可以看出，SVG+HVC組合方案響應(yīng)時間快，補(bǔ)償范圍廣且能達(dá)到全程范圍內(nèi)的連續(xù)補(bǔ)償，但設(shè)備投資最高；HVC補(bǔ)償效果最差，相應(yīng)時間最長，對電網(wǎng)沖擊最大，但投資最少。我們對兩種技術(shù)的節(jié)能效果進(jìn)行以下對比分析：

（1）應(yīng)用HVC后，補(bǔ)償無功功率不連續(xù)，平均功率因數(shù)最高可達(dá)0.92；

（2）應(yīng)用SVG+HVC后，補(bǔ)償無功功率隨負(fù)荷變化，連續(xù)平滑，不會出現(xiàn)無功欠補(bǔ)及過補(bǔ)的情況,瞬時功率因數(shù)即可達(dá)到0.95以上。

埕海110kV變電站最終設(shè)計為1.6萬kW的生產(chǎn)負(fù)荷，按0.7元/kWh計算，年電能費用9811萬元，應(yīng)用SVG+HVC技術(shù)后，變電站功率因數(shù)至少能從0.92提高到0.95以上后，因功率因數(shù)提高，每年將降低電費至少44萬元，比HVC多出的投資2年便可收回。 此外，采用SVG技術(shù)后，系統(tǒng)維護(hù)費用將大大降低，系統(tǒng)運行可靠性也將大大提高，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是很可觀的。

因此，采用SVG+HVC的方案不僅技術(shù)性能好，而且節(jié)能效果顯著，投資見效快，是四種方案中最好的。

5 結(jié)論及建議

通過上述分析，變電站無功補(bǔ)償采用SVG+HVC技術(shù)后，具有以下明顯優(yōu)勢：

（1）通過一定的優(yōu)化組合，SVG只站總補(bǔ)償容量的很少部分，即可實現(xiàn)補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)可調(diào)，使得系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值，節(jié)電效果好，投資回收期短。

（2）SVG作為無功補(bǔ)償?shù)闹鬟\設(shè)備，HVC為輔助設(shè)備，不會出現(xiàn)欠補(bǔ)或過補(bǔ)的情況，同時可最大程度的降低電容器的投切頻率，降低諧振風(fēng)險，有利于系統(tǒng)的安全可靠運行。

（3）SVG具有雙向連續(xù)可調(diào)特性，使得補(bǔ)償范圍加大，同時相應(yīng)速度快，補(bǔ)償精度高，適用于負(fù)荷動態(tài)變化的場合，尤其適用于油田新區(qū)產(chǎn)能建設(shè)中負(fù)荷逐漸增加的情況。

綜上所述，變電站采用SVG+HVC動態(tài)無功綜合補(bǔ)償技術(shù)后，集成了SVG自動跟蹤、連續(xù)補(bǔ)償和HVC結(jié)構(gòu)簡單、成本廉價的優(yōu)點，性價比高，節(jié)電效果好，適合在油田變電站推廣應(yīng)用。