混合式動態無功補償裝置在油田配電網中的應用

張炳成

（新疆油田公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依 834000）

在低壓電網中，大多數負載為感性負載，如異步電動機、變壓器等。近年來大量電力電子設備的應用和大功率沖擊性負荷的存在，使得系統的功率因數變低，這些負載消耗的無功如果均要依靠上級電網遠距離輸送，就會造成線損、壓降增大，降低電網的經濟效益。因此，目前大都采用使用末端側補償的方式，以提高功率因數，減少設備容量和功率損耗，穩定電壓，提高供電質量。

1 油田電網的功率因數特性

在我國的采油廠中，由異步電機驅動的游梁式抽油機仍作為各油田機械采油的主要手段，每天需要消耗大量的能源。目前約70%的抽油機電機的平均負載小于40%，運行效率低于80%，“大馬拉小車”現象較普遍，使配電線路的功率因數降低，配電線路網損增大［1］。在抽油機采油過程中，電機工作在兩種不同的工作狀態：一種是電機帶動機械負荷運行，電機為電動機作用，從電網吸收有功功率和無功功率；另一種是機械負荷帶動電機運行，此時電機為發電機作用，從電網吸收無功功率，給電網送出有功功率［2］。因此，在整個沖程過程中，均需補償無功，這是由系統負載性質所決定的。

為得到油田現場的功率因數數據，用一臺FLUKE435電能質量分析儀對新疆油田公司百口泉采油廠L213號變壓器下出線端進行功率因數監測。該變壓器容量為100 k VA，下接4臺抽油機，其中2臺為30 k VA異步電機，1臺為22 k VA的異步電機，1臺為18.5 k VA的異步電機。由于其中的1臺30 k VA抽油機和一臺18.5 k VA抽油機正處于修井狀態，因此試驗僅開啟了一臺30 k VA和一臺22 k VA的抽油機，在去除抽油機配電柜所帶的無功補償裝置后，對變壓器出線端的功率因數進行監測，其功率因數曲線如圖1所示。

圖1 混合式無功補償裝置未投入時的功率因數曲線

從圖1可看出，變壓器端在無任何無功補償裝置的情況下，整個沖程的大部分時間功率因數在0.2～0.6變化，平均功率因數為0.357 6［4］。這表明抽油機這種特定的負載，如不進行無功補償，功率因數極低，無功功率在視在功率中占大多數。這種極低的功率因數導致變壓器與電網損耗相當嚴重，因此油田配電網的無功節能降耗空間非常大。

2 現有的無功補償方式

目前各采油廠普遍投入了無功補償裝置，一般采用的無功補償裝置是電容投切設備。甚至簡單到直接并聯電容器，只有少數采油廠采用了接觸器或晶閘管等投切開關。即使采取了組合投切，組合方式也極其簡單。最普遍的補償方式是在抽油機的電控箱里并接電容。

由于抽油機大部分處于輕載運行狀況，并且由于其分散性，低壓輸電線路較長，本身功率因數又偏低，并接電容的就地無功補償確實能取得較好的效果［3］。然而，抽油機的有功電流，在整個沖程中是不間斷的，并且呈周期性變化，而無功電流也同樣是隨著有功電流的變化而變化。因此，電容設備往往不能做到精確地投切，同時反應速度也跟不上系統的要求。同時，因為每組投切的電容器組容量固定，所以只能階梯式投切無功補償容量，補償精度差，因此補償效果不算十分理想。

L213號變壓器下的抽油機采用并聯電容的無功補償方案方，一臺30 k VA異步電機的控制柜并接兩個電容器，一個容量是8 kvar，另一個容量是10 kvar；一臺22 k VA的異步電機并接一個電容器，容量為15 kvar。投入電容后變壓器出線端的功率因數曲線圖如圖2所示。

圖2 投入并聯電容器后的功率因數曲線

由圖2可知，投入電容后功率因數有很大提高，在上沖程的大部分時間里功率因數在0.9左右，但當電動機處于發電狀態時，功率因數偏低，均小于0.5，從而致使系統平均功率因數僅為0.801 7。雖然比未投電容時有很大改進，但還是不十分理想。

3 混合式動態無功補償裝置

近幾年，新型靜止無功發生器（SVG）逐漸進入無功補償領域，SVG基于電壓型逆變器原理，使用絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）來控制逆變交流電壓的大小和相位，從而達到無功補償的目的。由于IGBT的開關頻率很高（可達幾十千赫茲），所以SVG可以快速對無功負載進行補償，可以達到非常高的補償精度。但目前由于技術、工藝及元器件的限制，SVG的成本十分昂貴，無法滿足普通無功補償用戶的需求，進而限制了SVG的大規模推廣。因此，混合型無功補償方式，即集成SVG和傳統電容投切于一體的混合式動態無功補償裝置，既能滿足精細補償又能保證成本不十分昂貴，因此是油田比較理想的無功補償裝置。

混合式動態無功補償裝置由靜止無功發生器單元和投切型電容器／電抗器無功補償單元兩部分組成。在混合式動態無功補償裝置中，各單元均采用小功率、小體積、低成本方式進行設計生產，均為可選單元，可根據現場的實際無功狀態進行最優、靈活組合方式，以實現運行效果與成本的最佳比。

混合式動態無功補償裝置中，靜止無功發生器、投切式無功補償器各單元之間通過控制總線進行交互，根據整體控制策略，確定各部分需要補償無功功率的時刻及容量。混合式動態無功補償裝置的原理如圖3所示。

圖3 混合式動態無功補償裝置的原理

在L213號變壓器下，投入一臺混合式動態無功補償裝置，配置為30 kvar的SVG加30 kvar的投切式電容器／電抗器無功補償單元。采用變壓器下集中補償的方式，其接入圖如圖4所示。

圖4 混合武功補償裝置接入圖

斷開與抽油機配電箱中并接的電容器，投入混合式動態無功補償裝置，得到的混合式動態無功補償裝置功率因數曲線圖如圖5所示：

圖5 混合式動態無功補償裝置投運后現場功率因數

由于混合式動態無功補償裝置可實現無級、連續的無功補償，因此投入混合式動態無功補償裝置后功率因數曲線呈現方波狀，不管抽油機是處于消耗有功還是發出有功階段，其功率因數基本接近1，平均功率因數與無補償相比由0.357 6上升到0.986 9［4］。

與并聯接入電容器補償方式相比，由于混合式動態無功補償裝置能對現場數據包括系統瞬時交流電流、電壓等實現瞬態采集，并通過快速計算確定電容器的投切控制和SVG功率模塊的無功功率輸出容量，因此所補無功更加精確。同時避免了并接電容器容易產生的過補償現象。事實是，投入混合式動態無功補償裝置與投入并聯電容相比，功率因數由0.801 7上升到0.986 9［4］。

4 結語

傳統的無功補償裝置雖然在油田應用廣泛，但由于其投切速度慢、投切精度差，對抽油機這種變載負荷無法達到精確補償。混合式動態無功補償裝置可以實現無級、連續調節輸出無功，實現抽油機高功率因數運行。混合式動態無功補償裝置結合了傳統電容器并接的低成本以及SVG的連續高精度補償，是油田適合的無功補償方案。但考慮到SVG的成本相對較高，變壓器端集中補償比抽油機端分散補償更具成本優勢。變壓器下集中補償既滿足了現場補償的要求，又減少了補償柜數量，節約了成本。

［1］ 吉效科.油田設備節能技術［M］.北京：中國石化出版社，2011.

［2］ 程漢湘，劉建，文小玲，等.抽油機負載特性及其功率因數提高的研究［J］.電工技術雜志，2003（5）：55-59.

CHENG Han-xiang.A study of the load characteristic and power factor enhancement for oil-pump machine［J］.Electrotechnical Application，2003（5）：55-59.

［3］ 徐甫榮，趙錫生.抽油機節能電控裝置綜述［J］.電氣傳動自動化，2004，26（5）：1-8.

XU Fu-rong，ZHAO Xi-sheng.Summarization on energy saving of electric control device for oil pumping jack［J］.Electrical Drive Automation，2004，26（5）：1-8.

［4］ 中國石油天然氣集團西北油田節能測試中心.CSVG型低壓智能動態無功補償裝置測試報告（2014-156）.