SVG動態無功補償技術在油田變電站的應用與推廣

田愛蘭　（勝利油田熱電聯供中心）

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SVG動態無功補償技術在油田變電站的應用與推廣

田愛蘭（勝利油田熱電聯供中心）

文中介紹了傳統無功補償技術和SVG動態無功補償技術，闡述了SVG技術原理、運行方式、控制方法、技術先進性，對SVG動態無功補償裝置進行研究，指定適合油田變電站的SVG動態無功補償應用方案。通過實際案例，驗證SVG動態無功補償技術在油田變電站的應用與推廣的可行性。

油田變電站；靜止無功發生器；動態無功補償；

電力作為油田生產生活的重要保障，運行可靠性和經濟性尤為重要。電力系統迫切需要建立以提高電網電能質量、降低電網損耗為核心，樹立“安全、經濟、低碳、環保”的管理理念，從供、配、用等環節進行一體化研究，利用新技術、新產品制定系統化的節能改造方案，使得各個環節的相關節能配套措施綜合應用，電網整體優化運行。無功補償是有效的節能措施之一，通過無功補償可有效減少電網無功流動、降低網損、提高電壓質量，新一代無功補償技術——靜止無功發生器（以下簡稱SVG）動態無功補償技術兼有了動態無功補償和諧波電流補償的雙重功能，具有響應速度快、動態范圍寬、補償效果好、占地面積小、安全性高的特點，該技術極大提高無功補償效果，符合智能電網建設需求和油田“四化”建設的需要。

1　無功補償技術

無功功率補償簡稱無功補償，在電力供電系統中起提高電網的功率因數的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。無功補償技術主要分為電容器組分組固定的補償方式、調壓式補償方式、SVC靜止無功補償技術、SVG動態無功補償技術。

1）電容器組分組固定的補償方式。主要是利用真空開關手動投切并聯電容器，這種補償方式投切時涌流大，開關壽命低，不能實現連續無級調節［1］。

2）調壓式補償方式。根據Q=2πfCU2，改變電容器端電壓來調節無功輸出，實現自動補償。利用有載調壓變壓器（自耦式）調節電容器兩端的電壓，實現容性無功功率的調節；調壓式補償方式是細化了的分組自動投切，不能實現連續無級調節；變壓器受涌流沖擊和諧波影響，可靠性下降。無法實現濾波，甚至可能引起諧振的危險［2］。

3）SVC靜止無功補償技術。SVC技術是靈活交流輸電（FACTS）技術之一，根據結構原理的不同，SVC技術又分為：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器 （TSC）、混合型（TCR+TSC）［2］。SVC靜止補償方式優點是結構原理簡單，相應的SVC設備成本較低且便于維護，在無功功率控制、靈活性和諧波性能方面均優于FC及電容補償，并具有三相平衡、限制電壓波動和改善閃變狀況的能力。

4）SVG動態無功補償技術。SVG是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。SVG是以IGBT為核心的柔性交流輸電技術，代表著現階段電力系統無功補償技術新的發展方向［3］。動態補償裝置能夠快速連續地提供容性和感性無功功率，實現適當的電壓和無功功率控制，保障電力系統穩定、高效、優質地運行。由于SVG具有如此優越的性能，是今后動態無功補償裝置的重要發展方向。

2　SVG動態無功補償技術

SVG依靠其內部電子開關頻繁動作產生無功電流和諧波電流，SVG的基本原理就是自換相橋式電路（電壓源型逆變器）通過電抗器或者變壓器直接并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

2.1SVG原理

SVG將電壓源型逆變器經過電抗器并聯在電網上。電壓源型逆變器包含直流電容和逆變橋2部分，其中逆變橋由可關斷的半導體器件IGBT組成。工作中，通過調節逆變橋中IGBT器件的開關，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，整個裝置相當于一個調相電源。通過檢測系統中所需的無功功率，可以快速發出大小相等、相位相反的無功功率，實現無功功率平衡，保持系統實時高功率因數運行［4］。

SVG原理見圖1，將系統看作一個電壓源，SVG可以看作一個可控電壓源，連接電抗器可以等效成一個線形阻抗元件。

圖1　SVG原理

2.2SVG運行模式

SVG有3種運行模式見表1。

表1　SVG的三種運行模式

2.3SVG的控制方法

作為動態無功補償的類型之一，SVG的控制策略的選擇是根據SVG實現的功能和應用的場合，采用開環控制、閉環控制或者兩者結合的策略。在SVG中，外閉環調節器輸出的控制信號被視為補償器應產生的無功電流（或無功功率）的參考值，根據無功電流（或無功功率）參考值調節SVG產生所需無功電流（或無功功率）的具體控制方法，控制方法可分為間接控制和直接控制。

1）電流間接控制方式。將SVG當作交流電源看待，通過對SVG變流器所產生交流電壓基波相位和幅值的控制，來間接控制SVG的交流側電流。

2）電流直接控制方式。采用跟蹤型PWM控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制，跟蹤型PWM控制技術采用滯環比較方式或者三角波比較方式。

2.4SVG技術特點

從技術上講，SVG較傳統的無功補償技術有如下特點［5］：

1）響應時間快。SVG響應時間小于或等于10 ms；傳統靜補裝置響應時間大于20 ms。SVG可在極短的時間之內完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉換，這種響應速度完全可以對沖擊性負荷的補償。

2）抑制電壓閃變能力強。SVG對電壓閃變的抑制可以達到5∶1，甚至更高，由于響應速度極快，增大裝置容量可以提高抑制電壓閃變的能力。

3）運行范圍寬。SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。

4）補償功能多樣化。同一套SVG裝置，可以實現多種補償功能：

◇單獨補償負載無功；

◇單獨補償負載諧波；

◇單獨補償負載不平衡；

◇同時補償負載無功、諧波和不平衡。

5）濾除諧波功能。該技術自身產生的諧波含量極低，并能通過內部檢測電路分離出其中的諧波部分，通過IGBT功率變換器產生與系統中的諧波大小相等相位相反的補償電流，實現濾除諧波的功能。

6）占地面積較小。由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。

2.5SVG動態無功補償裝置

SVG動態無功補償裝置包括功率單元、控制柜和充電柜3部分，結構見圖2。

圖2　SVG系統結構

1）控制柜由工業控制機、控制系統硬件和電源系統組成。用來控制SVG實現預期控制目標、監控系統運行狀態、與上位機進行通訊等。工業控制機是SVG系統的人機界面，用來設置SVG系統的運行參數，來監控顯示系統運行狀態。電源系統由2個獨立電源組成，同時為控制系統供電，實現供電系統的冗余設計。控制系統硬件主要由主控單元和采樣單元組成，是SVG裝置的大腦。

2）功率柜主要由功率單元構成，是SVG的主體。功率單元內部主要由功率單元板、IGBT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來的控制信號，經解碼生成觸發脈沖控制IGBT的開通與斷開，產生預期的補償電流；同時，還具有直流側電壓檢測、故障檢測及通訊功能。功率單元板檢測的直流電壓通過通訊功能傳到控制機系統；功率單元的故障檢測包括IGBT過流、直流側過壓和功率單元超溫等，檢測到功率單元故障時，會在第一時間實現對設備保護，并將故障信息反饋給控制機系統。

3）充電柜由接觸器、軟起電阻、避雷器等部分組成，是用來給系統充電并抑制諧波的。充電電阻用來限制SVG起動電流，充電完成后合上充電柜接觸器即可。三相電抗器串聯在SVG輸出側，用來抑制SVG諧波。

3　無功補償技術比較

無功補償技術的比較情況如表2所示。通過對6種無功補償技術的比較，可發現SVG相應速度最快、諧波電流小、諧波特性好、運行損耗低、噪聲低、補償性能強、可實現動態快速連續調節無功輸出，適用于油田變電站的無功補償。

表2　無功補償技術比較

4　SVG動態無功補償技術應用

SVG動態無功補償技術在勝利油田35 kV陳莊變電站得到應用，陳莊變電站功率因數為0.86（低于0.95的國家標準），電壓畸變率為3.5%，（高于2%的國家標準），綜合衡量變電站的功率因數和電壓畸變率的情況，按照負荷重、采油負荷為主的選點原則，在陳莊變電站應用SVG技術進行無功自動補償和諧波治理，在6 kV母線側安裝容量為±4 MVA的SVG動態無功補償裝置1套。

按照SD 325—1989《電力系統電壓和無功電力技術導則》規定220 kV及以下變電站按需要配置無功補償設備，容量可按主變容量大10%～30%進行配置，并滿足主變壓器最大負荷時，其高壓側功率因數不低于0.95。國家標準GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》規定電網標稱電壓為110～6 kV時，電壓總諧波畸變率為2.0%～4.0%。

該設備投入后，在無功功率、電壓調節、功率因數及諧波治理等方面取得了顯著的效果，其各項技術指標也達到了相應的要求：

1）實時功率因數值由0.86提升至0.987；電壓畸變率小于2%。

2）單套SVG輸出調節范圍為-100%～100%（無級可調）。

3）濾波效率大于90%。

4）SVG裝置全時響應時間小于10 ms。

5）設備具有一定的短時間（1 min）過載能力，過載無功補償容量為成套裝置總容量的20%。

6）裝置具備完善的控制保護和報警措施。在裝置故障時提供報警信號，嚴重故障時能封鎖SVG驅動脈沖，同時將裝置退出運行。

5　效益分析

5.1經濟效益

經勝利石油管理局能源檢測站對安裝于河口供電公司陳莊變電站動態無功補償裝置的能耗測試，采用SVG動態無功補償技術后，陳莊變電站無功補償實現無極調節，補償效果和質量均達到設計標準，功率因數由改造前的0.86提高到0.987以上。陳莊變電站高壓端輸送線路鹽陳線線損由3.2%降至2%，變損由0.83%降至0.69%。

2014年鹽陳線線路損耗減少87.99×104kWh，陳莊變電站變損損耗減少9.65×104kWh。

2014年經測量補償后陳莊變電站減少的總損耗97.64×104kWh，直接經濟效益73.23萬元。

補償容量為±4MVA的SVG裝置投運后，運行電流下降，進一步提高了變電站設備利用率，增強了用電高峰期時設備承載能力。

5.2社會效益

通過對變電站進行無功補償后，間接補償了勝利發電廠機組無功，降低發電機的無功出力，提高發電機組效率，從而減少燃煤量，降低碳排放。

根據電煤折算量每10 000 kWh相當于1.229 t標煤，年度可減少損耗120 t標煤。按照華北區域電網排放因子0.980 3 t/MWh（CO2），相當于減少溫室氣體排放957.16 t（CO2）。

6　結論

1）根據勝利油田電網運行特點，確立了以SVG技術為基礎的動態無功補償方案，并進行應用試驗，收到良好的應用效果。該變電站功率因數從0.86提升到0.98，諧波總電壓畸變低于2%，均達到國家標準。該項目有效提高了電網運行效率和電能利用率，降低了電網損耗，提高了電壓質量，保障了電網安全、經濟穩定運行。

2）SVG動態無功補償技術兼有動態無功補償和諧波電流補償的雙重功能，具有響應速度快、動態范圍寬、補償效果好、占地面積小，安全性高的特點，該技術將傳統的靜態電容器無功補償改變為動態無功發生器補償方式，是無功補償技術質的飛躍。

3）把先進的SVG技術引入勝利油田電網是油田建設智能電網、綠色電網的典型案例，成功的應用為油田電網穩定經濟運行和提升電壓質量提供了有力的技術保障，具有較大的應用前景和推廣價值。

［1］楊孝志.幾種無功補償技術的分析和比較［J］.安徽電力.2006，23（2）：40-43.

［2］夏祖華，沈斐，胡愛軍，等.動態無功補償技術應用綜述［J］.電力設備.2004，5（10）：27-31.

［3］J.Dixon.無功補償技術的發展（一）［J］.交流技術與電力牽引.2006（5）：31-39.

［4］劉俊杰.靜止無功發生器（SVG）的研究與設計［D］.天津：天津理工大學，2012.

［5］蔣佃剛，吳迪.SVG的工作原理及應用［J］.智能建筑電氣技術，2015，9（3）：16-18.

（編輯莊景春）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.010

田愛蘭，工程師，2012年畢業于中國地質學院，從事油田節能工作，E-mail：tianailan937.slyt@sinopec.com，地址：山東省東營市東營區菏澤路勝中熱力大隊，257000。

2016-01-24