靜止無(wú)功發(fā)生器在油田變電站中的應(yīng)用

鄭春生 李來(lái)鴻 周浩偉

勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營(yíng) 257000

1 勝利油田電網(wǎng)負(fù)荷

勝利油田電網(wǎng)處于山東電網(wǎng)末端,最高電壓等級(jí)為220 kV,網(wǎng)內(nèi)擁有1座裝機(jī)容量為164萬(wàn)kW的大型火力發(fā)電廠、143座變電站、1 337條輸配電線路。143座變電站的主變安裝容量為463.205萬(wàn)kVA,包括3座220 kV變電站、41座110 kV變電站、73座35 kV正式變電站、26座35 kV簡(jiǎn)易變電站。1 337條輸配電線路中,35 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路有252條,6 kV～10 kV配電線路有1 085條。勝利油田電網(wǎng)年最高供電負(fù)荷為100萬(wàn)kW,年最低供電負(fù)荷為70萬(wàn)kW,年轉(zhuǎn)供電量為60億kW·h。

勝利油田電網(wǎng)的負(fù)荷主要分為三類。第一類是機(jī)械采油負(fù)荷,占負(fù)荷總量的65%,主要包括各種類型的電動(dòng)機(jī)、電潛泵等,負(fù)荷特點(diǎn)是容量小、分布廣、總量大、波動(dòng)性小。第二類是注水電機(jī)負(fù)荷,占負(fù)荷總量的20%,主要為6 kV大容量同步電機(jī)和低壓大容量電機(jī),負(fù)荷特點(diǎn)是單機(jī)容量大、負(fù)荷集中、總量平衡、波動(dòng)性小。第三類是民用負(fù)荷,占負(fù)荷總量的15%,主要為小型工業(yè)企業(yè)、辦公、居民生活用電設(shè)備,負(fù)荷特點(diǎn)是相對(duì)集中、波動(dòng)性較大。勝利油田電網(wǎng)總負(fù)荷中,85%以上為感性電機(jī)負(fù)荷,無(wú)功消耗大,諧波污染嚴(yán)重,這是勝利油田電網(wǎng)負(fù)荷最突出的特點(diǎn)。

2 勝利油田電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償現(xiàn)狀

勝利油田電網(wǎng)143座變電站中,滿足無(wú)功需求的有88座,無(wú)功不足的有29座,沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠?6座。目前,勝利油田電網(wǎng)變電站主要的無(wú)功補(bǔ)償方式是在變電站采用多組電容器分組固定補(bǔ)償,屬于集中補(bǔ)償方式。大部分變電站建設(shè)時(shí)間長(zhǎng),電容器經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,老化嚴(yán)重,容量不足,損壞較多。對(duì)于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖冸娬?采用人工投切的單一調(diào)節(jié)方式,投切容量不能連續(xù)調(diào)節(jié),只能粗略在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),難以做到判斷正確和操作及時(shí),調(diào)節(jié)效果已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的需求。

部分實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)淖冸娬静捎谜{(diào)壓式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置,原理是在普通的電容器組前增加一臺(tái)電壓調(diào)節(jié)器,利用電壓調(diào)節(jié)器來(lái)改變電容器端部的輸出電壓,進(jìn)而改變無(wú)功輸出容量,調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)。調(diào)壓式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置一般分為九級(jí)輸出,屬于分級(jí)補(bǔ)償方式,容易產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)、欠補(bǔ)。另一方面,由于調(diào)壓變壓器的分接頭開(kāi)關(guān)為機(jī)械動(dòng)作,因此響應(yīng)時(shí)間慢,需3～4 s,雖然可以及時(shí)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功變化和電壓閃變,但是跟蹤和補(bǔ)償效果稍差。在調(diào)壓過(guò)程中,電容器頻繁充放電,還會(huì)極大影響電容器的使用壽命。一部分變電站安裝了分組自動(dòng)投切的電容器。晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、混合型等真正的靜止無(wú)功發(fā)生器技術(shù),在勝利油田電網(wǎng)還基本沒(méi)有采用。

近幾年,隨著油田節(jié)能降耗工作逐步深入開(kāi)展,采油廠注水站和油井安裝了大量變頻裝置和整流設(shè)備,在節(jié)能的同時(shí),電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重。另一方面,從2013年開(kāi)始,勝利油田電網(wǎng)集控站逐步投入運(yùn)行,無(wú)人值守變電站大幅增加,給無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)節(jié)提出了更高的要求。原有無(wú)功補(bǔ)償存在的問(wèn)題顯得較為突出,應(yīng)用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和濾波技術(shù)愈發(fā)急迫。由此,筆者介紹靜止無(wú)功發(fā)生器在勝利油田變電站中的應(yīng)用。

3 靜止無(wú)功發(fā)生器基本原理

靜止無(wú)功發(fā)生器屬于全新的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,核心技術(shù)是基于可快速導(dǎo)通和關(guān)斷的半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極晶體管和脈沖寬度調(diào)制,構(gòu)造三相全控橋式整流逆變電路,交流側(cè)經(jīng)電抗與電網(wǎng)相連,適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,使電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹８鶕?jù)不同的電路結(jié)構(gòu),靜止無(wú)功發(fā)生器采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路。目前,工程上應(yīng)用的靜止無(wú)功發(fā)生器絕大多數(shù)采用電壓型橋式電路。

靜止無(wú)功發(fā)生器單相等效電路如圖1所示,系統(tǒng)相量圖如圖2所示。靜止無(wú)功發(fā)生器工作時(shí)通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷,將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為與交流側(cè)電網(wǎng)同頻率的輸出電壓,通過(guò)改變輸出電壓UI與系統(tǒng)電壓US之間的相位角δ,改變逆變器輸出電壓與系統(tǒng)電壓之間的相量差,達(dá)到調(diào)節(jié)電流相位和無(wú)功功率的目的。靜止無(wú)功發(fā)生器在原理上與同步發(fā)電機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)有相似之處。靜止無(wú)功發(fā)生器電路流過(guò)的電流可能大于0、小于0,或等于0,依次對(duì)應(yīng)靜止無(wú)功發(fā)生器容性、感性、空載三種運(yùn)行模式。容性運(yùn)行模式時(shí),輸出電壓大于系統(tǒng)電壓,超前電流可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)連續(xù)控制,進(jìn)而連續(xù)調(diào)節(jié)靜止無(wú)功發(fā)生器發(fā)出的無(wú)功。感性運(yùn)行模式時(shí),輸出電壓小于系統(tǒng)電壓,滯后電流可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)連續(xù)控制,進(jìn)而連續(xù)調(diào)節(jié)靜止無(wú)功發(fā)生器吸收的無(wú)功。

圖1 靜止無(wú)功發(fā)生器單相等效電路

圖2 系統(tǒng)相量圖

4 應(yīng)用

4.1 安裝地點(diǎn)

2013年,靜止無(wú)功發(fā)生器在勝利油田電網(wǎng)35 kV陳莊變得到應(yīng)用。應(yīng)用前,陳莊變主要存在以下問(wèn)題:變電站未進(jìn)行任何形式的無(wú)功補(bǔ)償,功率因數(shù)為0.86,低于0.95的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;電壓畸變率為3.5%,高于2%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求;高壓注水電機(jī)較多,沖擊性負(fù)荷較大,占總負(fù)荷的50%;處于電網(wǎng)末端,因電力緊張易出現(xiàn)甩負(fù)荷現(xiàn)象,需要對(duì)電壓進(jìn)行快速支撐,維持電壓水平;所帶6 kV電網(wǎng)中變頻設(shè)備較多,在運(yùn)行過(guò)程中諧波含量較高,需進(jìn)行有效的諧波抑制;為無(wú)人值守變電站,設(shè)備可安裝面積有限。比較其它無(wú)功補(bǔ)償技術(shù),靜止無(wú)功發(fā)生器在解決陳莊變以上問(wèn)題時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。綜合衡量變電站的功率因數(shù)和電壓畸變率,按照負(fù)荷重、采油負(fù)荷為主的選點(diǎn)原則,在陳莊變應(yīng)用靜止無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償和諧波治理,選擇鏈?zhǔn)礁邏红o止無(wú)功發(fā)生器,補(bǔ)償容量為4 000 var。靜止無(wú)功發(fā)生器直接掛接在6kV母線上,受限于變電站空間,采用戶外集裝箱安裝。35 kV陳莊變靜止無(wú)功發(fā)生器二次接線如圖3所示。

圖3 35 kV陳莊變靜止無(wú)功發(fā)生器二次接線

4.2 技術(shù)參數(shù)

應(yīng)用靜止無(wú)功發(fā)生器后,技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。采用數(shù)字信號(hào)處理器和復(fù)雜可編程邏輯器件,主要的保護(hù)功能包括輸出過(guò)流保護(hù)、電網(wǎng)過(guò)壓保護(hù)、絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)、功率單元直流側(cè)過(guò)壓保護(hù)、超溫保護(hù)、通信故障保護(hù),控制技術(shù)包括瞬時(shí)電流檢測(cè)控制、脈沖寬度調(diào)制電流跟蹤控制、直接電流閉環(huán)控制,可以實(shí)現(xiàn)恒電壓控制和恒無(wú)功控制的控制模式。

4.3 無(wú)功補(bǔ)償裝置構(gòu)成

應(yīng)用靜止無(wú)功發(fā)生器后,無(wú)功補(bǔ)償裝置包括控制柜、功率柜、啟動(dòng)柜,如圖4所示?？刂乒裼晒I(yè)控制機(jī)、控制系統(tǒng)硬件、電源系統(tǒng)組成,用于控制靜止無(wú)功發(fā)生器實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo),監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),與上位機(jī)進(jìn)行通信等。功率柜主要由功率單元構(gòu)成,是靜止無(wú)功發(fā)生器的主體。功率單元內(nèi)部主要由功率單元板、絕緣柵雙極晶體管模塊、薄膜電容、突波吸收電容、型材散熱器等組成。功率單元板接收主控單元發(fā)來(lái)的控制信號(hào),經(jīng)解碼生成觸發(fā)脈沖,控制絕緣柵雙極晶體管的開(kāi)通與斷開(kāi),產(chǎn)生預(yù)期的補(bǔ)償電流。功率單元板同時(shí)還具有直流電壓檢測(cè)、故障檢測(cè)及通信功能。功率單元板檢測(cè)的直流電壓通過(guò)通信功能傳送至控制系統(tǒng)硬件。功率單元的故障檢測(cè)包括絕緣柵雙極晶體管過(guò)流、直流側(cè)過(guò)壓、超溫等。功率單元被檢測(cè)到故障時(shí),會(huì)第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的保護(hù),并將故障信息反饋至控制系統(tǒng)硬件。啟動(dòng)柜由接觸器、軟啟動(dòng)電阻、避雷器等組成,實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償裝置的啟動(dòng)和保護(hù)。無(wú)功補(bǔ)償裝置可以接入變電站無(wú)功優(yōu)化系統(tǒng),并將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng),接收遠(yuǎn)程電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的控制投切命令。

4.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器星形連接拓?fù)淙鐖D5所示,每相由若干個(gè)H橋式功率單元串聯(lián)組成。H橋式功率單元主電路拓?fù)淙鐖D6所示,功率單元可以輸出-E、0、E三種電平,開(kāi)關(guān)管S1和S2、S3和S4互為互補(bǔ),互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通。n個(gè)功率單元的輸出電壓相互疊加,可以輸出2n+1電平的相電壓,以及4n+1電平的線電壓,由此實(shí)現(xiàn)使用低耐壓器件低開(kāi)關(guān)頻率變換器獲得高電壓高性能輸出的目的。采用這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每增加一個(gè)功率單元,相電壓增加2電平,線電壓增加4電平,使輸出電壓波

表1 技術(shù)參數(shù)

圖4 無(wú)功補(bǔ)償裝置構(gòu)成

形進(jìn)一步正弦化。H橋式功率單元開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電壓對(duì)照見(jiàn)表2。

圖5 鏈?zhǔn)届o止無(wú)功發(fā)生器星形連接拓?fù)?/p>

圖6 H橋式功率單元主電路拓?fù)?/p>

表2 H橋式功率單元開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電平對(duì)照

4.5 控制模式

一般情況下,靜止無(wú)功發(fā)生器采用恒電壓控制,即靜止無(wú)功發(fā)生器輸出的無(wú)功根據(jù)系統(tǒng)電壓的變化采用斜線控制,按系統(tǒng)無(wú)功電壓要求,快速釋放或吸收無(wú)功,提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐,使系統(tǒng)電壓維持在一定范圍內(nèi)。為達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的,一般采用比例積分控制器來(lái)保證電壓控制的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。根據(jù)對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器工作原理的分析,可以得到靜止無(wú)功發(fā)生器電壓電流特性,如圖7所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低,補(bǔ)償器的電壓電流特性向下調(diào)整時(shí),靜止無(wú)功發(fā)生器可以調(diào)整變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位,使所能提供的最大無(wú)功電流ILmax和ICmax維持不變,僅受電力半導(dǎo)體器件電流容量的限制。而對(duì)于傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器,由于所能提供的最大無(wú)功電流分別受并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器阻抗特性的限制,因此最大無(wú)功電流隨著電壓的降低而減小。由此可見(jiàn),靜止無(wú)功發(fā)生器的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器大,傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形,靜止無(wú)功發(fā)生器的運(yùn)行范圍是上下等寬的近似矩形。這是靜止無(wú)功發(fā)生器優(yōu)越于傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器的一大特點(diǎn)。

圖7 靜止無(wú)功發(fā)生器電壓電流特性

恒無(wú)功控制是在控制器故障或其它非正常狀態(tài)下采用的一種手動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功的手段。此時(shí),靜止無(wú)功發(fā)生器可以看作無(wú)功源,根據(jù)設(shè)定的無(wú)功值,由無(wú)功閉環(huán)控制使靜止無(wú)功發(fā)生器達(dá)到恒無(wú)功輸出。設(shè)定的無(wú)功值能在滿足規(guī)定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。恒無(wú)功控制與恒電壓控制不能同時(shí)采用,兩者進(jìn)行切換時(shí),可以平滑過(guò)渡,并不會(huì)引起瞬時(shí)無(wú)功沖擊。由于靜止無(wú)功發(fā)生器響應(yīng)速度快,因此各參量的計(jì)算均應(yīng)采用基于瞬時(shí)值的方法,否則參量計(jì)算的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致控制器發(fā)生振蕩,影響控制器的性能。所以恒無(wú)功控制時(shí),無(wú)功計(jì)算采用瞬時(shí)無(wú)功功率的計(jì)算方法。瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念,都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的,不僅適用于正弦波,而且適用于非正弦波和其它過(guò)渡過(guò)程。

4.6 應(yīng)用效果

靜止無(wú)功發(fā)生器應(yīng)用后,在無(wú)功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)、諧波治理等方面取得了顯著效果,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了相應(yīng)要求。實(shí)時(shí)功率因數(shù)由0.86提高到0.98,電壓畸變率低于2%,單套靜止無(wú)功發(fā)生器輸出調(diào)節(jié)范圍為-100%～100%無(wú)級(jí)可調(diào),濾波效率高于90%,全時(shí)響應(yīng)時(shí)間短于10 ms。靜止無(wú)功發(fā)生器具有一定的1 min短時(shí)過(guò)載能力,過(guò)載無(wú)功補(bǔ)償容量為成套裝置總?cè)萘康?0%。靜止無(wú)功發(fā)生器還具備完善的控制保護(hù)和報(bào)警功能,故障時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),嚴(yán)重故障時(shí)能封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖,同時(shí)退出運(yùn)行。

5 常見(jiàn)故障及處理

靜止無(wú)功發(fā)生器在勝利油田變電站應(yīng)用尚屬首次,在制造工藝、施工管理、運(yùn)行穩(wěn)定性、檢修維護(hù)等方面存在一些問(wèn)題。2013年底應(yīng)用后,出現(xiàn)三次故障,分別為功率單元過(guò)溫報(bào)警、柔性插座和T型插頭損壞、單元電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作,故障原因依次為夏季運(yùn)行時(shí)功率柜內(nèi)溫度過(guò)高,柔性插座和T型插頭發(fā)熱,模擬量采集插件損壞。針對(duì)故障原因,采取夏季降低集裝箱運(yùn)行溫度,改善通風(fēng),更換高載流量柔性插座和T型插頭,更換模擬量采集插件等措施。由此可見(jiàn),在靜止無(wú)功發(fā)生器應(yīng)用中,需要提高非關(guān)鍵附屬部件的質(zhì)量,加強(qiáng)施工工藝控制,改善運(yùn)行環(huán)境。

當(dāng)靜止無(wú)功發(fā)生器出現(xiàn)故障時(shí),根據(jù)就地監(jiān)控系統(tǒng)顯示的故障信息,進(jìn)行相應(yīng)處理。處理功率單元故障時(shí),必須保證靜止無(wú)功發(fā)生器已經(jīng)斷電30 min。靜止無(wú)功發(fā)生器常見(jiàn)故障原因與處理見(jiàn)表3。

6 結(jié)束語(yǔ)

靜止無(wú)功發(fā)生器有動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和諧波電流補(bǔ)償雙重功能,具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍寬、補(bǔ)償效果好、抑制諧波能力強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。靜止無(wú)功發(fā)生器將傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償變?yōu)閯?dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,克服傳統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償器輸出無(wú)功電流依賴電網(wǎng)電壓,抑制諧波需額外安裝濾波裝置等缺點(diǎn),體積更小,并真正做到能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)無(wú)功和諧波變化情況,進(jìn)行精確無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制。靜止無(wú)功發(fā)生器可以有效提高變電站功率因數(shù),維持電網(wǎng)正常運(yùn)行下無(wú)功潮流的合理平衡,改善電壓質(zhì)量,提高配電網(wǎng)的供電能力,全面提升電網(wǎng)供電可靠性和安全性,對(duì)油田生產(chǎn)用電而言是有力保障。在油田電網(wǎng)改造過(guò)程中,靜止無(wú)功發(fā)生器可以廣泛應(yīng)用于存在無(wú)功缺額的樞紐變電站、沖擊性負(fù)荷較多的變電站,以及晝夜和季節(jié)用電負(fù)荷變化較大的居民區(qū)變電站、光伏電站等,具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表3 靜止無(wú)功發(fā)生器常見(jiàn)故障原因與處理