大慶油田配電網(wǎng)節(jié)能與電能質(zhì)量綜合治理的應(yīng)用研究

鄧凡良（中國石油集團(tuán)電能有限公司）

1 研究設(shè)計(jì)方案

首先分析目前現(xiàn)場(chǎng)情況下的無功、諧波以及三相不平衡的補(bǔ)償要求和容量特點(diǎn)[1]，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，選取典型低壓線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，結(jié)合相關(guān)的參考設(shè)備，對(duì)配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)符合需求的電能質(zhì)量[2]綜合治理裝置，選擇典型低壓線路試點(diǎn)進(jìn)行裝置安裝運(yùn)行，最后對(duì)試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)量、分析，符合預(yù)期目標(biāo)，然后進(jìn)行推廣。

2 配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置的原理

1）靜止無功發(fā)生器和電容器組共同組成補(bǔ)償系統(tǒng)[3]：由靜止無功發(fā)生器進(jìn)行快速、高精度無功、諧波以及三相不平衡補(bǔ)償，電容器組進(jìn)行慢速、階梯無功功率補(bǔ)償[4]。配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置原理見圖1。

圖1 配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置原理

配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置由兩部分單元組成——靜止無功發(fā)生器單元（SVG）、投切型電容器無功補(bǔ)償單元（TSC）[5]。在補(bǔ)償裝置中，各單元均采用小功率、小體積、低成本方式進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，均為可選單元，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際無功狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)、靈活組合方式[6-7]，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效果與成本的最佳比。配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置拓?fù)湟妶D2。

圖2 配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置拓?fù)?/p>

2）系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)：裝置采用SVG與TSC混合方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，SVG檢測(cè)系統(tǒng)無功功率，控制電容器投切，并確定自身無功發(fā)出的容量及時(shí)刻；通過配置SVG與TSC容量比例，對(duì)無功變化慢、范圍小的應(yīng)用，采用小容量SVG加大容量TSC的方案；針對(duì)無功變化快、范圍大的應(yīng)用，采用較大容量SVG加適當(dāng)容量TSC的方案；現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中，對(duì)大容量、固定的無功，TSC進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)小容量、變化快的無功，SVG快速發(fā)送無功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)快速無功補(bǔ)償響應(yīng)（小于5 ms）和高功率因數(shù)補(bǔ)償（大于或等于0.98）。

3 裝置電路結(jié)構(gòu)及控制策略

3.1 綜合治理裝置電路結(jié)構(gòu)

配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置中靜止無功發(fā)生器[8]主電路結(jié)構(gòu)見圖3，圖中C為濾波電容，Rd為等效負(fù)載電阻。

圖3 配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置中靜止無功發(fā)生器主電路結(jié)構(gòu)

配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置的主控制器采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為其主控制處理器。其主要控制結(jié)構(gòu)包括模擬信號(hào)采集模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、主控制器模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、通訊模塊、觸發(fā)邏輯信號(hào)處理模塊[9]（FPGA）和逆變單元模塊（IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)）等。模擬信號(hào)采集模塊將三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓等信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換為可供DSP芯片TMS320F2812采集的信號(hào)，DSP芯片以12.8 K的采樣速率對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，并將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP TMS320F6000進(jìn)行快速計(jì)算并生成控制策略，最終通過FPGA對(duì)逆變單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。

主控制器的程序涵蓋了DSP的初始化設(shè)計(jì)、防積分飽和的數(shù)字PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換器的采樣、Clarke變換[10]、無功檢測(cè)、無功控制策略、無功控制、保護(hù)動(dòng)作、SVPWM的區(qū)間判別和定時(shí)器時(shí)間確定、各相關(guān)量的計(jì)算等。

配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置優(yōu)點(diǎn)：多種補(bǔ)償模式，可同時(shí)補(bǔ)償無功、諧波以及三相不平衡；動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償精度高，響應(yīng)速度快；既能補(bǔ)償感性無功，也能補(bǔ)償容性無功；使用壽命長，MTBF＞10萬小時(shí)；阻抗對(duì)系統(tǒng)無窮，不受諧波影響，不產(chǎn)生諧振；缺點(diǎn)：前期成本投入較高。傳統(tǒng)電容器補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；成本低；缺點(diǎn)：補(bǔ)償精度差；響應(yīng)時(shí)間慢；容易產(chǎn)生諧振；電容器只能補(bǔ)償容性無功，且壽命較短，易損壞，維護(hù)成本高。

3.2 對(duì)比分析

通過現(xiàn)場(chǎng)安裝及運(yùn)行，以大慶油田北龍崗某號(hào)變壓器為例，對(duì)其應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

4 效益分析

配網(wǎng)節(jié)能綜合治理裝置具有兩種安裝方式，分別為落地式安裝和桿上安裝。在油田電網(wǎng)隨機(jī)選擇50臺(tái)變壓器進(jìn)行配網(wǎng)節(jié)能電能質(zhì)量綜合治理，每臺(tái)裝置容量100 kVar，采用落地式安裝。根據(jù)GB/T 12497—2006《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量計(jì)算方法：

式中：ΔF為節(jié)省的電費(fèi)支出，元；Qc為無功補(bǔ)償容量，k Var；β為單位有功電度價(jià)格，元/kWh；Cb為無功功率經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，k W/kVar；T為補(bǔ)償裝置運(yùn)行小時(shí)數(shù)；tanδ為補(bǔ)償設(shè)備的損耗，kW/k Var；上述公式中如：

經(jīng)計(jì)算節(jié)電費(fèi)支出13 400元/a，則每臺(tái)設(shè)備預(yù)計(jì)年節(jié)電26 280 kWh，年節(jié)約電費(fèi)約8 000元（按每度電0.51元計(jì)算），50臺(tái)裝置一年可節(jié)省電費(fèi)約40萬元。

隨著目前UPS、節(jié)能LED燈等大規(guī)模整流器件的使用，導(dǎo)致線路存在大量的諧波，諧波和無功不僅增加了線路損耗，而且導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞概率增加，由于商業(yè)和小區(qū)單相用電的特點(diǎn)，所以線路中也存在三相負(fù)荷不平衡的現(xiàn)場(chǎng)，造成線路和變壓器的損耗。同時(shí)，隨著用戶對(duì)用電質(zhì)量的要求越來越高，針對(duì)配網(wǎng)進(jìn)行諧波、無功補(bǔ)償和三相負(fù)荷不平衡等電能質(zhì)量問題治理，存在巨大的節(jié)能降耗空間，產(chǎn)生較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

為油田用戶提供優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)供電是油田電網(wǎng)的主要任務(wù)之一，隨著油氣生產(chǎn)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，非線性負(fù)荷的增加也成為影響油田電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要因素，從小容量的機(jī)泵到大容量的工業(yè)交直流變換裝置，都會(huì)引起電網(wǎng)的無功和諧波問題，可以說用戶負(fù)荷正成為電網(wǎng)無功、諧波的主要來源。而電網(wǎng)電能質(zhì)量問題會(huì)造成電網(wǎng)很大的設(shè)備和線路損耗，造成能源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置逐漸無法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種環(huán)境，因此我們針對(duì)當(dāng)前電能質(zhì)量問題提出了適應(yīng)油田自身特點(diǎn)的配網(wǎng)節(jié)能綜合治理措施，能夠有效治理各種電能質(zhì)量問題，具有廣泛的應(yīng)用及推廣價(jià)值。