綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置在油田電網(wǎng)的應(yīng)用

林淑輝（華北石油管理局水電廠機(jī)電設(shè)備廠）

綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置在油田電網(wǎng)的應(yīng)用

林淑輝
（華北石油管理局水電廠機(jī)電設(shè)備廠）

摘 要：本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和無(wú)功補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)原理，分析了諧波的產(chǎn)生原因和對(duì)策，主要研究了靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）對(duì)油田綜合電能補(bǔ)償?shù)男Ч瑢?duì)當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行了深入分析，特別是對(duì)于諧波治理的功效和對(duì)過(guò)電壓/過(guò)電流的自我保護(hù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功發(fā)生器；補(bǔ)償；油田

0　引言

油田作為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重大國(guó)家建設(shè)資源，電網(wǎng)的安全健康運(yùn)行對(duì)油田企業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義[1]。油田中生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜和獨(dú)特性質(zhì)，使得電網(wǎng)中的諧波檢測(cè)和計(jì)算具有其獨(dú)特的方法。確定油田電網(wǎng)中諧波的分布水平和總體情況，是十分必要的。只有這樣，才能根據(jù)這些諧波源的類(lèi)型進(jìn)行治理和改進(jìn)，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。同時(shí)，應(yīng)該注意到，由于我國(guó)電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期使用的設(shè)備陳舊和無(wú)功補(bǔ)償容量的不足，帶來(lái)了很多不適應(yīng)生產(chǎn)力發(fā)展的弊端，夾帶著社會(huì)中各種大功率非線性負(fù)荷用戶的增加對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染和沖擊，影響系統(tǒng)運(yùn)行[2]。而靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）的保護(hù)功能和其他調(diào)節(jié)能力是當(dāng)前電力系統(tǒng)所必需的，了解并合理地使用，將給油田電網(wǎng)帶來(lái)強(qiáng)有力的運(yùn)行保障。

1　研究意義和現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展速度飛快增長(zhǎng)，大量的能源消耗導(dǎo)致了石油的需求量與日俱增，而在石油企業(yè)的生產(chǎn)壓力伴隨著社會(huì)需求的加大而增加的同時(shí)，油田本身對(duì)電力系統(tǒng)的依賴(lài)性也在加強(qiáng)，油田對(duì)供電系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性的需求越來(lái)越高。但是隨著電力電子技術(shù)的不斷普及應(yīng)用，石油生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都應(yīng)用了越來(lái)越多的非線性負(fù)載，比如采油廠和注水站使用大量變頻器，配電房使用變頻空調(diào)和UPS等。隨著非線性負(fù)載的比例越來(lái)越高，負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致三相不平衡，電力供電質(zhì)量越來(lái)越差。與此同時(shí)，原有電力補(bǔ)償裝置的老舊，導(dǎo)致了電能質(zhì)量的下降不可避免。電網(wǎng)中出現(xiàn)的諧波污染引起的額外能量損耗，以變壓器溫度的升高，電力電纜、電容等器件的損壞為代價(jià)，同時(shí)這種污染還會(huì)造成電量統(tǒng)計(jì)的失準(zhǔn)，引起供電方和用戶的經(jīng)濟(jì)糾紛，特別是油田生產(chǎn)用電量巨大，這種誤差帶來(lái)的影響不容忽視。更為嚴(yán)重的是，這些技術(shù)問(wèn)題會(huì)影響油田的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給社會(huì)生活帶來(lái)不可估量的影響。

國(guó)外對(duì)電力系統(tǒng)諧波的研究較早，大約在100多年前就有了系統(tǒng)的闡述。早期國(guó)外率先使用同步調(diào)相機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，但是這種裝置具有安裝不便，而且成本高的缺點(diǎn)，當(dāng)前已經(jīng)很少在電網(wǎng)中使用。之后，由于發(fā)現(xiàn)了使用固定容量的電容器可以配合其他方式進(jìn)行電能質(zhì)量的補(bǔ)償，而且這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是一種低成本高效率的方案。該方法目前在國(guó)內(nèi)外依然還在使用，但是它的缺點(diǎn)也很明顯，就是不能連續(xù)調(diào)節(jié)，容易引起諧振。在平穩(wěn)的電力負(fù)荷系統(tǒng)中，電容可以與機(jī)械開(kāi)關(guān)搭配使用，實(shí)現(xiàn)階梯形無(wú)功調(diào)節(jié)。當(dāng)前國(guó)際上廣泛使用的是靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC），這種裝置響應(yīng)速度和性?xún)r(jià)比都有了很大的改善，但是引起高次諧振的幾率較大。調(diào)節(jié)范圍更廣，速度更快的SVG當(dāng)前是研究的熱點(diǎn)。

我國(guó)直到20世紀(jì)90年代初才開(kāi)始了在電力系統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科中基于諧波分析的系統(tǒng)性的研究和抑制方法的探索，并開(kāi)展了對(duì)晶閘管控制的SVC的研發(fā)工作。投切的并聯(lián)電容器組是當(dāng)前在我國(guó)電力系統(tǒng)中使用最廣泛的無(wú)功補(bǔ)償裝置[3]。但是，很多落后地區(qū)依然依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流分布和設(shè)計(jì)補(bǔ)償方式，效果不理想。還有些地方使用多電容并聯(lián)的開(kāi)關(guān)方案來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償容量依賴(lài)于分組投切的方式，過(guò)大或者過(guò)小很難判別，沒(méi)有連續(xù)性和精準(zhǔn)性。而使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案的成本較大，難以推廣。目前國(guó)內(nèi)大容量高電壓的SVC產(chǎn)品依然需要依賴(lài)于進(jìn)口設(shè)備。值得注意的是，上海市電力局和清華大學(xué)電機(jī)系經(jīng)過(guò)多年努力研發(fā)研制的基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的±50MvarSTATCOM（SVG），標(biāo)志著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的又一次飛躍，該產(chǎn)品將應(yīng)用于上海500kV電網(wǎng)中。

2　諧波源的危害

油田電網(wǎng)中生產(chǎn)所使用的大功率電機(jī)負(fù)荷所占比重較高，是相對(duì)最主要的諧波源之一，除此之外，降溫使用的空調(diào)等非線性電器也是引起諧波污染的來(lái)源。要有針對(duì)性地提出諧波治理的方案，需要首先確定諧波源，并對(duì)諧波的危害有一定的了解。諧波污染的來(lái)源主要是：

1）包含半導(dǎo)體非線性元件的器件以及設(shè)備，在油田電網(wǎng)中主要是整流設(shè)備、整流器相控調(diào)制變頻器、PWM變頻器等，此外，油田設(shè)備用于降溫的空調(diào)設(shè)備也是不小的諧波污染源；

2）包含電弧和鐵磁非線性的設(shè)備，在油田中主要包括發(fā)電機(jī)、交流電弧爐、變壓器、電動(dòng)機(jī)及鐵磁諧振設(shè)備等。這些動(dòng)力設(shè)備在油田生產(chǎn)中占據(jù)了很大的能量消耗，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很大。

油田中各種生產(chǎn)設(shè)備的容量很大，而且數(shù)量和種類(lèi)眾多，這些設(shè)備中的諧波源會(huì)造成極大的危害，對(duì)油田的安全高效生產(chǎn)帶來(lái)很大的弊端，必須加以電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，才能確保生產(chǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。這些危害主要是：

1）諧波會(huì)相應(yīng)地提高油田電網(wǎng)中設(shè)備的附加電力損耗率，消耗了大量電能的同時(shí)造成設(shè)備的溫度升高，影響生產(chǎn)效率和電容等元器件的壽命；

2）繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置的正常工作是以負(fù)序量為基礎(chǔ)的，這些器件靈敏度很高，極易受到諧波污染的影響，造成裝置誤操作，降低其可靠性，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故，或者導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。

3　綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的電能質(zhì)量補(bǔ)償

在電力系統(tǒng)中，同步電動(dòng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)以及靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等是比較常見(jiàn)的無(wú)功控制方法。目前，在SVC廣泛使用的基礎(chǔ)上，基于電壓源換流器的SVG的綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置是一種當(dāng)前被廣泛研究和使用的快速的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。它的輸出電流不依賴(lài)于電壓，是一種恒流源器件，具有超快的響應(yīng)速度，極大地抑制了電壓閃變。結(jié)合油田電網(wǎng)特性和設(shè)備的復(fù)雜性，采用多電平技術(shù)結(jié)合PWM技術(shù)消除諧波影響，對(duì)油田電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性有了顯著提升[5]。綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要的作用有：

1）提高暫態(tài)裕量，同時(shí)可以抑制負(fù)荷側(cè)電壓波動(dòng)，校正功率因數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；

2）在無(wú)功電流劇增的瞬間，通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)抑制電壓崩潰的趨勢(shì)。同時(shí)，不平衡控制策略在負(fù)荷不平衡時(shí)補(bǔ)償不平衡負(fù)荷使電流變成三相平衡，并且不產(chǎn)生無(wú)功分量；

3）在具有無(wú)延時(shí)檢測(cè)的同時(shí)可以增大系統(tǒng)的阻尼而抑制振蕩，提供有效的阻尼系統(tǒng)振蕩。

4　結(jié)束語(yǔ)

油田中諧波污染的電網(wǎng)線損在缺乏無(wú)功調(diào)節(jié)手段的系統(tǒng)中十分嚴(yán)重，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)和電網(wǎng)穩(wěn)定性的降低。SVG相比于SVC調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)更多，速度快，范圍廣，性能優(yōu)勢(shì)也很明顯，所以成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。油田電網(wǎng)中合理地使用靜止無(wú)功發(fā)生器可以使電能質(zhì)量得到明顯提升[6]。通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SVG的使用對(duì)于油田電網(wǎng)的主要特征諧波和總體的諧波畸變都起到了很大的抑制效果，對(duì)綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償起到了良好的作用，具有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

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收稿日期：（2015-03-12）