無功混合補償在煤層氣抽采中的應(yīng)用

王斌斌 武偉偉 羅小蕾（河南費曼電力技術(shù)有限公司）

煤層氣的分布情況導(dǎo)致了開采時配電網(wǎng)存在供電線路長且分支多的問題；而為了保證連續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)量，考慮到抽采設(shè)備工作時的特性，企業(yè)通常會選用功率較大的三相交流異步電動機，造成抽采設(shè)備和配電變壓器的負荷率低[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)備利用率低等問題。而傳統(tǒng)的分級投切固定電容器組的補償方式為補償成本低、補償容量有級差。靜止無功發(fā)生器能夠跟蹤快速變化的無功，補償精度高，但目前大容量的靜止無功發(fā)生器的成本較高[4-5]。無功混合補償裝置結(jié)合了兩種補償方式的優(yōu)點，實時跟蹤負載的無功變化，可以實現(xiàn)大容量、連續(xù)的無功補償。在提高配電網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)、降低線路損耗的同時，可有效控制無功補償?shù)某杀尽?/p>

1 補償策略

為了最大限度減少無功功率在供電系統(tǒng)中的傳輸、釋放，提高供電和用電設(shè)備的利用率，通常采用的無功補償方式有以下3種。

1）集中補償。即在變電站中10 kV側(cè)進行集中無功補償。根據(jù)“分層平衡，就地補償”的無功補償原則，在變電站中進行的無功補償可提高變電站主變壓器的功率因數(shù)，降低主變壓器無功損耗及其前級輸電線路的損耗；但對減少配電網(wǎng)整條線路的無功負荷和降低供電線路損耗的效果有限。

2）隨機補償。通常在抽水機的控制箱中設(shè)置幾組相應(yīng)容量的電容器，采用分級投切的方法進行無功補償。由于電容器的額定容量是定值，不能連續(xù)對配電網(wǎng)進行無功補償，存在欠補償或者過補償?shù)那闆r；再加上執(zhí)行投切操作時存在的延時，導(dǎo)致無功補償?shù)男Ч焕硐搿ｎl繁的執(zhí)行投切操作也會降低無功補償設(shè)備的使用壽命。此外，抽水機數(shù)量眾多，采用隨機補償時工作量大，維護不易。

3）隨器補償。即在配電變壓器處進行無功補償。通常1臺配電變壓器帶4～10臺抽水機，通過對該變壓器用電情況的分析，進行合理的隨器補償。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，具有較高的性價比?？紤]到抽水機工作時負載無規(guī)律波動的特殊性，采用隨器補償方式對配電網(wǎng)進行無功補償。

2 補償方法

1）分級投切電容器組。分級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。而抽水機作為煤層氣抽采的主要設(shè)備，其一個工作周期包括一個上沖程和一個下沖程，在一個工作周期內(nèi)有功功率和無功功率變化幅度大，功率因數(shù)變化快。采用分級投切電容器組進行無功補償時存在以下問題：投切補償電容器有延時，通常做不到實時補償；電容器的額定容量固定，補償容量是跳躍式的，存在補償不足或者過補償?shù)那闆r，無法完全補償；投切裝置頻繁動作會降低補償設(shè)備的使用壽命，其優(yōu)點是技術(shù)成熟、補償?shù)娜萘看蠹把a償?shù)某杀镜汀?/p>

2）靜止無功發(fā)生器。電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使得靜止無功發(fā)生器（ESVG）在無功補償中得到越來越多的應(yīng)用。ESVG是極性可調(diào)的無功電流裝置，根據(jù)負載的變化情況，通過實時調(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)出或者吸收無功電流，從而實現(xiàn)動態(tài)快速連續(xù)的無功補償?shù)哪康模a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進行無功補償時的成本也較高。

3）TSC和ESVG的混合補償。無功混合補償裝置采用TSC和ESVG的組合方式進行無功補償。利用TSC對配電網(wǎng)中的無功功率進行分級補償，利用ESVG對系統(tǒng)無功和TSC之間的無功差額以及系統(tǒng)中的動態(tài)無功進行跟蹤，實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)的補償。兩者相結(jié)合的補償方法避免了補償不足或者過補償?shù)那闆r發(fā)生，提高了補償效果，降低了補償成本。合理設(shè)置TSC和ESVG的容量比可有效降低無功補償?shù)某杀荆菬o功補償?shù)囊粋€發(fā)展方向。文中采用混合補償方式對配電網(wǎng)進行無功補償。

3 設(shè)備設(shè)計

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理

無功混合補償設(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)出無功功率或者吸收無功功率。根據(jù)接收到的補償指令信號，ESVG在容量范圍內(nèi)可以快速連續(xù)跟蹤補償負載的無功功率，輸出無功功率不受系統(tǒng)電壓的影響。利用TSC進行無功分級補償：在電壓過零時投入電容器，在電流過零時切除電容器，減少投切過程中對系統(tǒng)和補償裝置帶來的沖擊影響[7-9]。無功混合補償裝置集合了兩種補償方式的優(yōu)點，根據(jù)負載無功功率的變化情況，適時作出合理的決策進行無功補償，提高配電網(wǎng)的功率因數(shù)。

圖1 混合補償設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid compensation equipment

混合補償裝置中ESVG和TSC的容量配比及TSC中電容器的容量分配，是影響補償效果和補償成本的重要因素。通過分析系統(tǒng)在不同時間段的無功需求，可以得到系統(tǒng)無功缺額中的平均靜態(tài)容量及動態(tài)容量的最大值[10]。利用公式（1）可以求得TSC的補償容量及ESVG的補償容量：

式中：QT為TSC的補償容量，kVar；Qj為無功缺額的平均靜態(tài)容量，kVar；QE為ESVG的補償容量，kVar；Qdx為系統(tǒng)無功缺額的動態(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)補償容量和系統(tǒng)無功缺額中的最小靜態(tài)值共同決定。通過對煤層氣抽采供電系統(tǒng)的無功需求分析，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混合補償裝置為例，ESVG的額定補償容量設(shè)置為30 kVar，TSC的額定補償容量設(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種不同的補償容量與ESVG配合，第n+1組和第n組之間的補償容量差額均為5 kVar。ESVG輸出的無功功率由系統(tǒng)無功缺額和TSC的補償容量共同決定：

表1 TSC補償容量Tab.1 TSC compensation capacity

式中：Qe為ESVG輸出的無功功率，kVar；Q為系統(tǒng)無功缺額，kVar；Qt為TSC輸出的補償容量，kVar；n為組別，取值范圍是1≤n≤9。

當(dāng)系統(tǒng)無功缺額為0＜Q≤45 kVar時，n向下取整；當(dāng)45 kVar＜Q≤75 kVar時，n取9。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中硬件以TMS320F28335作為控制單元，圍繞該處理器設(shè)計相應(yīng)的指令檢測電路、信號調(diào)理電路、信號跟蹤控制電路、IGBT驅(qū)動電路、晶閘管驅(qū)動電路、保護電路等。TMS320F28335的時鐘頻率最高可以設(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)和程序的存儲量大，并且具有浮點計算能力。軟件開發(fā)環(huán)境為CCS3.3，在集成開發(fā)環(huán)境中通過Graph窗口可以圖形顯示數(shù)據(jù)，方便對比數(shù)據(jù)，適時調(diào)整控制程序，也可通過上位機調(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、補償電流和直流電壓的采樣，計算系統(tǒng)的相序、頻率、功率因數(shù)及無功功率等參數(shù)，確定無功補償容量，根據(jù)ESVG和TSC的容量配比確定補償方案，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，出現(xiàn)故障時，故障中斷被觸發(fā)，設(shè)備進入保護狀態(tài)，閉鎖輸出。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

4 試驗應(yīng)用

在設(shè)計理論指導(dǎo)下，制作了設(shè)備樣機，樣機容量為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。為了驗證裝置的補償效果，在某集團公司二工區(qū)進行了測試，測試數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，無功混合補償裝置投入后，各變壓器的功率因數(shù)在0.98以上，補償效果良好，裝置的補償性能滿足設(shè)計要求。

表2 二工區(qū)裝置補償效果測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of device compensation effect in No.2 work area

以1號變壓器為例，該變壓器額定容量為200 kVA，補償前功率因數(shù)為0.30～0.82，有功功率為15～60 kW，無功功率為35～62 kVar。

無功補償裝置運行前配電網(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°，補償前功率因數(shù)為0.63，電流有效值為136.5 A。無功補償裝置運行后配電網(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°，補償后功率因數(shù)為0.97，電流有效值為90.5 A。補償后該條配電線路的線損降低率η為

圖3 補償前后電壓、電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms before and after compensation

式中：cosφ1為補償前功率因數(shù)；cosφ2為補償后功率因數(shù)。

根據(jù)《變壓器經(jīng)濟運行》和《三相異步電動機經(jīng)濟運行》規(guī)定，無功功率補償后節(jié)約的有功功率為：

式中：ΔPU為有功功率下降值，kW；KQ為無功經(jīng)濟當(dāng)量，三次變壓取0.08～0.1；QC為就地補償?shù)臒o功功率，kvar；P為系統(tǒng)的有功功率，kW。

根據(jù)公式（5）、（6）計算，可得補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天計算，補償后的年節(jié)電量為3.5×104kWh；按電費0.725元/kWh計算，年節(jié)電費用為25 375元。

5 結(jié)論

現(xiàn)場測試驗證了無功混合補償裝置具有良好的無功補償效果，可有效解決煤層氣抽采中的無功補償問題。該裝置有效結(jié)合了TSC和ESVG兩種無功補償方式的優(yōu)點，能實時跟蹤配電網(wǎng)無功功率的變化，并根據(jù)兩者的容量作出合理的決策，實現(xiàn)對系統(tǒng)無功功率連續(xù)動態(tài)的補償，避免了欠補償和過補償?shù)陌l(fā)生；可有效降低變壓器的無功損耗和配電網(wǎng)的線損，實現(xiàn)了綠色用電。在控制補償成本的同時可取得較好的補償效果。