無功混合補償在煤層氣抽采中的應用

王斌斌 武偉偉 羅小蕾（河南費曼電力技術有限公司）

煤層氣的分布情況導致了開采時配電網存在供電線路長且分支多的問題；而為了保證連續穩定的產量，考慮到抽采設備工作時的特性，企業通常會選用功率較大的三相交流異步電動機，造成抽采設備和配電變壓器的負荷率低[1-3]；所以，配電網存在功率因數低、線路損耗大、線路末端電壓低、設備利用率低等問題。而傳統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生器的成本較高[4-5]。無功混合補償裝置結合了兩種補償方式的優點，實時跟蹤負載的無功變化，可以實現大容量、連續的無功補償。在提高配電網絡功率因數、降低線路損耗的同時，可有效控制無功補償的成本。

1 補償策略

為了最大限度減少無功功率在供電系統中的傳輸、釋放，提高供電和用電設備的利用率，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側進行集中無功補償。根據“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，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置幾組相應容量的電容器，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，不能連續對配電網進行無功補償，存在欠補償或者過補償的情況；再加上執行投切操作時存在的延時，導致無功補償的效果不理想。頻繁的執行投切操作也會降低無功補償設備的使用壽命。此外，抽水機數量眾多，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，降低配電網損耗，而且可以釋放變壓器的容量，具有較高的性價比。考慮到抽水機工作時負載無規律波動的特殊性，采用隨器補償方式對配電網進行無功補償。

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）構成。而抽水機作為煤層氣抽采的主要設備，其一個工作周期包括一個上沖程和一個下沖程，在一個工作周期內有功功率和無功功率變化幅度大，功率因數變化快。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的情況，無法完全補償；投切裝置頻繁動作會降低補償設備的使用壽命，其優點是技術成熟、補償的容量大及補償的成本低。

2）靜止無功發生器。電力電子技術和計算機控制技術的發展，使得靜止無功發生器（ESVG）在無功補償中得到越來越多的應用。ESVG是極性可調的無功電流裝置，根據負載的變化情況，通過實時調節變流電路交流側輸出電壓的相位和幅值，可以使ESVG連續發出或者吸收無功電流，從而實現動態快速連續的無功補償的目的，補償效果好[6]。但大容量的ESVG成本較高，而配電變壓器數量眾多，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對配電網中的無功功率進行分級補償，利用ESVG對系統無功和TSC之間的無功差額以及系統中的動態無功進行跟蹤，實現連續動態的補償。兩者相結合的補償方法避免了補償不足或者過補償的情況發生，提高了補償效果，降低了補償成本。合理設置TSC和ESVG的容量比可有效降低無功補償的成本，是無功補償的一個發展方向。文中采用混合補償方式對配電網進行無功補償。

3 設備設計

3.1 設備結構與原理

無功混合補償設備中，ESVG和TSC采用并聯結構（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；利用正弦脈寬調制（SPWM）法控制IGBT的通斷，使ESVG發出無功功率或者吸收無功功率。根據接收到的補償指令信號，ESVG在容量范圍內可以快速連續跟蹤補償負載的無功功率，輸出無功功率不受系統電壓的影響。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點，根據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，提高配電網的功率因數。

圖1 混合補償設備結構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。通過分析系統在不同時間段的無功需求，可以得到系統無功缺額中的平均靜態容量及動態容量的最大值[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容量，kVar；QE為ESVG的補償容量，kVar；Qdx為系統無功缺額的動態容量最大值，kVar；k為系數，由電容器的額定工作電壓和系統電壓比值的平方確定。

TSC的容量分配則需要根據補償容量和系統無功缺額中的最小靜態值共同決定。通過對煤層氣抽采供電系統的無功需求分析，分別選取額定容量為5 kVar和10 kVar的電容器作為基準單元。

以75 kVar混合補償裝置為例，ESVG的額定補償容量設置為30 kVar，TSC的額定補償容量設置為45 kVar，取5 kVar作為基準單元，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，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。

當系統無功缺額為0＜Q≤45 kVar時，n向下取整；當45 kVar＜Q≤75 kVar時，n取9。

3.2 控制系統

控制系統中硬件以TMS320F28335作為控制單元，圍繞該處理器設計相應的指令檢測電路、信號調理電路、信號跟蹤控制電路、IGBT驅動電路、晶閘管驅動電路、保護電路等。TMS320F28335的時鐘頻率最高可以設置為150 MHz，處理器的速度快、精度高、功耗小，片外設備的集成度高，數據和程序的存儲量大，并且具有浮點計算能力。軟件開發環境為CCS3.3，在集成開發環境中通過Graph窗口可以圖形顯示數據，方便對比數據，適時調整控制程序，也可通過上位機調整相關參數。

控制系統中軟件由主程序、中斷服務程序及采樣子程序構成。主程序的作用是完成系統中的ePWM（增強型脈寬調制器）、ADC（A/D轉換器）、GPIO（通用數字輸入/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。中斷服務程序調用AD采樣子程序，完成系統電壓、系統電流、補償電流和直流電壓的采樣，計算系統的相序、頻率、功率因數及無功功率等參數，確定無功補償容量，根據ESVG和TSC的容量配比確定補償方案，中斷服務程序流程如圖2b所示。捕獲中斷的作用是鎖相及跟隨電網電壓的頻率。故障中斷具有最高的優先級，出現故障時，故障中斷被觸發，設備進入保護狀態，閉鎖輸出。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

4 試驗應用

在設計理論指導下，制作了設備樣機，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進行了測試，測試數據見表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在0.98以上，補償效果良好，裝置的補償性能滿足設計要求。

表2 二工區裝置補償效果測試數據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°，補償前功率因數為0.63，電流有效值為136.5 A。無功補償裝置運行后配電網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；cosφ2為補償后功率因數。

根據《變壓器經濟運行》和《三相異步電動機經濟運行》規定，無功功率補償后節約的有功功率為：

式中：ΔPU為有功功率下降值，kW；KQ為無功經濟當量，三次變壓取0.08～0.1；QC為就地補償的無功功率，kvar；P為系統的有功功率，kW。

根據公式（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，補償后的年節電量為3.5×104kWh；按電費0.725元/kWh計算，年節電費用為25 375元。

5 結論

現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。該裝置有效結合了TSC和ESVG兩種無功補償方式的優點，能實時跟蹤配電網無功功率的變化，并根據兩者的容量作出合理的決策，實現對系統無功功率連續動態的補償，避免了欠補償和過補償的發生；可有效降低變壓器的無功損耗和配電網的線損，實現了綠色用電。在控制補償成本的同時可取得較好的補償效果。