大慶油田配電網節能與電能質量綜合治理的應用研究

鄧凡良（中國石油集團電能有限公司）

1 研究設計方案

首先分析目前現場情況下的無功、諧波以及三相不平衡的補償要求和容量特點[1]，進行現場調研，選取典型低壓線路進行現場測量，并對現場進行考察，針對現場調研情況，結合相關的參考設備，對配網節能綜合治理裝置的結構進行研究，設計開發符合需求的電能質量[2]綜合治理裝置，選擇典型低壓線路試點進行裝置安裝運行，最后對試點現場運行情況進行測量、分析，符合預期目標，然后進行推廣。

2 配網節能綜合治理裝置的原理

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

圖1 配網節能綜合治理裝置原理

配網節能綜合治理裝置由兩部分單元組成——靜止無功發生器單元（SVG）、投切型電容器無功補償單元（TSC）[5]。在補償裝置中，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[6-7]，以實現運行效果與成本的最佳比。配網節能綜合治理裝置拓撲見圖2。

圖2 配網節能綜合治理裝置拓撲

2）系統功能的實現：裝置采用SVG與TSC混合方式進行無功補償，SVG檢測系統無功功率，控制電容器投切，并確定自身無功發出的容量及時刻；通過配置SVG與TSC容量比例，對無功變化慢、范圍小的應用，采用小容量SVG加大容量TSC的方案；針對無功變化快、范圍大的應用，采用較大容量SVG加適當容量TSC的方案；現場運行過程中，對大容量、固定的無功，TSC進行補償；對小容量、變化快的無功，SVG快速發送無功進行補償，實現快速無功補償響應（小于5 ms）和高功率因數補償（大于或等于0.98）。

3 裝置電路結構及控制策略

3.1 綜合治理裝置電路結構

配網節能綜合治理裝置中靜止無功發生器[8]主電路結構見圖3，圖中C為濾波電容，Rd為等效負載電阻。

圖3 配網節能綜合治理裝置中靜止無功發生器主電路結構

配網節能綜合治理裝置的主控制器采用先進的數字信號處理器（DSP）作為其主控制處理器。其主要控制結構包括模擬信號采集模塊、模擬信號調理模塊、主控制器模塊、數據分析模塊、通訊模塊、觸發邏輯信號處理模塊[9]（FPGA）和逆變單元模塊（IGBT驅動和保護）等。模擬信號采集模塊將三相交流電壓、三相交流電流、直流電壓等信號進行采集，經模擬信號調理模塊轉換為可供DSP芯片TMS320F2812采集的信號，DSP芯片以12.8 K的采樣速率對輸入的模擬信號進行采集，并將采樣數據發送給DSP TMS320F6000進行快速計算并生成控制策略，最終通過FPGA對逆變單元進行控制，實現無功功率的補償。

主控制器的程序涵蓋了DSP的初始化設計、防積分飽和的數字PI調節器設計、A/D轉換器的采樣、Clarke變換[10]、無功檢測、無功控制策略、無功控制、保護動作、SVPWM的區間判別和定時器時間確定、各相關量的計算等。

配網節能綜合治理裝置優點：多種補償模式，可同時補償無功、諧波以及三相不平衡；動態跟蹤補償，補償精度高，響應速度快；既能補償感性無功，也能補償容性無功；使用壽命長，MTBF＞10萬小時；阻抗對系統無窮，不受諧波影響，不產生諧振；缺點：前期成本投入較高。傳統電容器補償優點：結構簡單，運行維護簡單；成本低；缺點：補償精度差；響應時間慢；容易產生諧振；電容器只能補償容性無功，且壽命較短，易損壞，維護成本高。

3.2 對比分析

通過現場安裝及運行，以大慶油田北龍崗某號變壓器為例，對其應用前后數據對比見表1。

表1 應用前后數據對比

4 效益分析

配網節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。在油田電網隨機選擇50臺變壓器進行配網節能電能質量綜合治理，每臺裝置容量100 kVar，采用落地式安裝。根據GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》中無功經濟當量計算方法：

式中：ΔF為節省的電費支出，元；Qc為無功補償容量，k Var；β為單位有功電度價格，元/kWh；Cb為無功功率經濟當量，k W/kVar；T為補償裝置運行小時數；tanδ為補償設備的損耗，kW/k Var；上述公式中如：

經計算節電費支出13 400元/a，則每臺設備預計年節電26 280 kWh，年節約電費約8 000元（按每度電0.51元計算），50臺裝置一年可節省電費約40萬元。

隨著目前UPS、節能LED燈等大規模整流器件的使用，導致線路存在大量的諧波，諧波和無功不僅增加了線路損耗，而且導致用電設備的損壞概率增加，由于商業和小區單相用電的特點，所以線路中也存在三相負荷不平衡的現場，造成線路和變壓器的損耗。同時，隨著用戶對用電質量的要求越來越高，針對配網進行諧波、無功補償和三相負荷不平衡等電能質量問題治理，存在巨大的節能降耗空間，產生較好的社會和經濟效益。

5 結論

為油田用戶提供優質經濟供電是油田電網的主要任務之一，隨著油氣生產對電能質量的要求越來越高，非線性負荷的增加也成為影響油田電網電能質量的重要因素，從小容量的機泵到大容量的工業交直流變換裝置，都會引起電網的無功和諧波問題，可以說用戶負荷正成為電網無功、諧波的主要來源。而電網電能質量問題會造成電網很大的設備和線路損耗，造成能源浪費，同時也會給電力系統的安全穩定運行造成很大影響。傳統的無功補償裝置逐漸無法適應現場各種環境，因此我們針對當前電能質量問題提出了適應油田自身特點的配網節能綜合治理措施，能夠有效治理各種電能質量問題，具有廣泛的應用及推廣價值。