海上油田加裝無功補償裝置的研究

王紅（中海石油（中國）有限公司天津分公司）

目前，海上油田大多采用獨立的供電系統。相對于陸地電網來說，海上電力系統規模小、穩定性較差。而海上油田電力系統中擁有大量的電動機、變壓器等感性設備，這些設備需要大量的無功建立磁場。電氣設備要想正常工作，就需要一個能使它做功的功率，這個功率就是有功功率、即對外做功的功率。而無功功率用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率，即對外不做功，所以被稱之為“無功”[1]。變壓器、電抗器、接觸器的工作原理都是電磁感應原理，即需要有一個磁場才能工作、進行電磁能量的轉換，在交換的過程中必然會產生電流，這個電流就是無功電流，有無功電流就會消耗無功功率[2]。無功電流在電網中傳輸將降低電網中發電動機、變壓器、海纜等供電設備容量的利用率，增加供電設備及線路的電能損耗，影響電網的供電質量。同時，非線性負荷產生的大量諧波電流注入電網時，導致諧波電壓的出現。諧波電壓和正常的基波電壓疊加在一起，還會造成電網電壓發生畸變[3]。隨著油田發展的需要，一對一變頻器等非線性設備逐漸增加，導致電網中的諧波分量進一步加大，嚴重影響了油田電網的供電品質和用電設備的使用壽命、穩定性及安全性。

1 無功補償裝置的必要性分析

1.1 理論分析

在海上油田電力系統中存在許多的感性負荷（如平臺的大功率潛油電泵、注水泵）和非線性裝置（如單井變頻器、UPS等電力電子設備）。工業負荷在運行時產生大量的諧波以及消耗大量的無功功率，不僅嚴重影響了高壓配電網的供電質量，還會給電力系統的安全運行帶來極大危害[4]，主要對電網有以下嚴重的影響：

1）需要增加設備容量。無功功率的增加會導致電流和視在功率的增加，從而使發電動機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加[5]。

2）設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使線路總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加[6]。

3）使線路及變壓器的電壓降增大。在傳輸同樣功率的情況下，總電流增加將增加設備、線路的損失和增加線路和變壓器的電壓損失[7]。

4）產生機械振動、噪聲和過電壓，嚴重影響了電動機的工作效率和使用壽命。

1.2 海上某油田電網簡介

海上某油田由一艘FPSO、單點系泊裝置（SPM）和6個井口平臺（WHPA～WHPF）組成，FPSO上的主電站系統由5臺7.3 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz的Siemens無刷勵磁發電動機組和1臺6.5 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz透平發電動機組成。通過3臺升壓變壓器（6.3 kV/10.5 k V）將電壓升到10.5 k V后，經過單點電滑環和海底電纜將電能送到6個井口平臺（WHPA～WHPF）。每個井口平臺再通過2臺10.5 k V/0.4 k V的降壓變壓器降壓后，將電能送到400 V低壓母排為生產設備及生活設施供電。

1.3 海上某油田電網無功補償與諧波分析

海上某油田WHPC平臺在無功補償裝置安裝前進行了電能質量分析波形圖，其中：圖1為三相電壓波形圖、圖2為電網功率因數波形、圖3為電網5次諧波電流波形、圖4為電網7次諧波電流波形。

圖1 三相電壓波形圖Fig.1 Three phase voltage waveform

圖2 電網功率因數波形Fig.2 Power factor waveform of power grid

圖3 電網5次諧波電流波形Fig.3 The 5th harmonic current waveform of power grid

圖4 電網7次諧波電流波形Fig.4 The 7th harmonic current waveform of power grid

由圖1～圖4平臺實際測量的波形可以看出，WHPC平臺供電系統電壓值373 V，功率因數只有0.78～0.81，未能達到0.9以上。電壓波形存在畸變，5、7次諧波電流較大，最高可達30 A。利用電能質量檢測儀采集數據，實際測得整個平臺無功補償需求容量在1 400 k Var左右。

因此，為了補償無功功率和抑制電網中諧波電流較大的特定頻率諧波的影響，在海上油田引入無功補償裝置是十分必要的。

2 經濟效益分析

2.1 海上某油田WHPC平臺

根據油田電網的實際情況，決定采用在平臺低壓400V母線側進行分散補償的方式進行無功補償。選擇方案時，既要考慮到改善功率因數，提高系統電壓及降低系統電流，又要避免放大5次及5次以上諧波電流。

并聯補償電容器組是供電系統使用最廣泛的補償裝置，用于提高功率因數，改善電壓質量和降低電能損耗。并聯電容器組通常需要加裝串聯電抗器來限制高次諧波和合閘涌流。但補償電容器組的串聯電抗率（即電抗器感抗與電容器容抗之比）不同，整個系統的阻抗頻率特性和濾波器性能也不同。所以LC串聯電路在電力系統所需補償容量一定時，關鍵是電抗率的確定：當用于抑制5次及以上諧波時，電抗率宜取5%～6%[8]。

因此，WHPC平臺選用的NOKIAN CAPACITORS無功補償裝置，采用3臺電抗率為6%的調諧濾波器，單臺補償容量為444 kVar，總的補償容量可達1 332 k Var。內部電容器型號為AL2D 480 V 100 kVar，電抗器型號為XKIB 74/400/6-50，共18組。表1為C平臺在安裝無功補償裝置前、后數據對比。

由表1可知無功補償裝置投入后，該平臺400 V低壓母線處無功功率降低850 k Var、電網電壓升高12 V左右、電流降低500 A左右、電壓畸變率降低60%左右，說明無功補償裝置的投入取得了很好的效果。

表1 C平臺在安裝無功補償裝置前、后數據對比Tab.1 Comparison by C platform before and after installing of reactive power compensation device

2.2 海上某油田全部井口平臺

對該油田全部6個井口平臺在無功補償裝置投入前、后的電網參數進行了測量，當無功補償裝置投入后，井口平臺400 V低壓母線電壓由最低366 V提高至374 V，且高壓10.5 k V進線電流均降低了20 A左右，6個平臺總進線電流降低超過120 A，這樣就極大減輕了對輸電電纜及單點滑環所造成的巨大壓力。

2.3 供電側無功補償投入前后的變化

該油田所有平臺無功補償裝置全部安裝完成后，從動力模塊測試無功補償裝置投入和退出前后主發電動機側電網參數的變化情況如表2所示。

表2 無功補償裝置投入和退出前后主發電動機參數變化Tab.2 Parameter changes of main generator before and after reactive power compensation device

從表2可以看出隨著各平臺無功補償裝置的逐步投入，無功功率和視在功率明顯逐漸下降，功率因數逐漸升高。全部投入后發電動機輸出總無功功率降低了23%、視在功率降低了6.8%、功率因數提高了11.25%。無功補償裝置投用后發電動機輸出視在功率總共減少了1.79 MVA。

2.4 無功補償裝置對于油田電網諧波的抑制

目前關于電網消諧油田還沒有安裝專門的設備，只是在無功補償裝置中附帶有無源濾波，專門針對電網中特定的5次和7次諧波進行抑制。以WHPC平臺為例，通過電能質量測試的結果來分析平臺的諧波現狀以及投入無功補償裝置前、后諧波電壓畸變率的變化情況，測試結果如圖5、圖6所示。

圖5 無功補償裝置投入前電網諧波電壓畸變率Fig.5 Harmonic voltage distortion rate of power grid before reactive power compensation device is put into operation

圖6 無功補償裝置投入后電網諧波電壓畸變率Fig.6 Harmonic voltage distortion rate of power grid after reactive power compensation device is put into operation

從圖5和圖6中可以看出，在投入無功補償裝置后，電網的5次和7次諧波畸變率明顯降低，可見無功補償裝置中的無源濾波器對油田電網中的5次和7次諧波確實起到了一定的抑制作用。

2.5 綜合效果分析

1）在投入無功補償裝置后，該油田發電動機組輸出的視在功率減少了1.79 MVA，功率因數及負載電壓均得以提升，使電網的供電質量得以提高。

2）6個井口平臺高壓10.5 k V側總輸出電流共降低了120 A，有效降低了輸電電纜的電能損耗、降低了發電成本，每年為油田帶來的綜合經濟效益至少100萬元[9]。

3）從設備維修成本角度來講，無功補償裝置降低了存在于電網中的大量諧波，減少了設備因諧波造成的損耗，降低了設備的故障率，一定程度上節約了維修成本。

4）無功補償裝置的投入可以降低油田電網的總負荷，為增加更多的用電設備提供了余量，有利于油田的長遠可持續發展。

3 綜合治理方案

建議將無功補償和諧波治理這兩種技術相結合。在保證無功補償裝置正常運行的前提下，使諧波濾除裝置能最大程度地濾除電網中的諧波電流。以實現對油田供電系統無功功率和諧波電流的綜合治理，進一步確保油田電網能夠安全經濟地運行。

目前諧波電流治理技術主要有無源濾波技術和有源濾波技術兩種。無源濾波器，雖然能在一定程度上滿足濾波要求，但深入研究不難發現其存在很多不足，如系統阻抗較小，實際濾波效果欠佳，易與系統阻抗發生串、并聯諧振等[10]。因此，根據油田的具體實際，采用有源電力濾波器+電容補償柜的方案比較可取。這里采用電容補償柜進行無功補償，主要考慮到充分利用目前油田已安裝的電容補償柜，改造方案成本較低。電容補償柜作為較早的無功補償裝置，技術比較成熟，但是也有自身難以克服的缺陷。加裝有源電力濾波器后，可以降低各次諧波的含量，提高供電系統的可靠性和穩定性；利用現有電容補償柜，可以分組投切來補償無功功率，保證功率因數在0.95以上[11]。利用有源電力濾波器，可以降低各次諧波的含量。此方案，目前在兄弟油田已進行了試用并取得了較好的效果。系統投用前、后，該油田電網的功率因數由0.9上升為0.97；電壓畸變率由10.7%降為2.5%；電流畸變率由26.3%降為2.2%；總諧波電流由511.75 A降為43.24 A。投用后，電壓和電流畸變率均低于國家限值 的5%以下[12]。

4 結論

文中分析了海上油田安裝無功補償裝置的必要性。并對海上某平臺安裝無功補償裝置前后的波形與測量數據進行了對比，發現安裝無功補償裝置后該平臺400 V低壓母線電壓由最低時的366 V提高至374 V，電壓升高12 V左右，電流降低500 A，無功功率降低850 kVar，視在功率降低250 k VA，電壓畸變率降低了60%，說明無功補償裝置的投入對提高電網的供電質量的確起到很大的作用。

通過對投入無功補償裝置后的數據進行的分析：不僅平臺自身電能質量得到了很大的改善，而且降低了動力模塊電站至井口平臺10.5 k V高壓側的輸出電流共計120 A，同時油田總視在功率降低了1.74 MVA，每年為油田帶來的綜合經濟效益至少100萬元。