靜止無功發生器在油田變電站中的應用

鄭春生 李來鴻 周浩偉

勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

1 勝利油田電網負荷

勝利油田電網處于山東電網末端,最高電壓等級為220 kV,網內擁有1座裝機容量為164萬kW的大型火力發電廠、143座變電站、1 337條輸配電線路。143座變電站的主變安裝容量為463.205萬kVA,包括3座220 kV變電站、41座110 kV變電站、73座35 kV正式變電站、26座35 kV簡易變電站。1 337條輸配電線路中,35 kV及以上電壓等級輸電線路有252條,6 kV～10 kV配電線路有1 085條。勝利油田電網年最高供電負荷為100萬kW,年最低供電負荷為70萬kW,年轉供電量為60億kW·h。

勝利油田電網的負荷主要分為三類。第一類是機械采油負荷,占負荷總量的65%,主要包括各種類型的電動機、電潛泵等,負荷特點是容量小、分布廣、總量大、波動性小。第二類是注水電機負荷,占負荷總量的20%,主要為6 kV大容量同步電機和低壓大容量電機,負荷特點是單機容量大、負荷集中、總量平衡、波動性小。第三類是民用負荷,占負荷總量的15%,主要為小型工業企業、辦公、居民生活用電設備,負荷特點是相對集中、波動性較大。勝利油田電網總負荷中,85%以上為感性電機負荷,無功消耗大,諧波污染嚴重,這是勝利油田電網負荷最突出的特點。

2 勝利油田電網無功補償現狀

勝利油田電網143座變電站中,滿足無功需求的有88座,無功不足的有29座,沒有無功補償的有26座。目前,勝利油田電網變電站主要的無功補償方式是在變電站采用多組電容器分組固定補償,屬于集中補償方式。大部分變電站建設時間長,電容器經過多年運行,老化嚴重,容量不足,損壞較多。對于沒有實現動態補償的變電站,采用人工投切的單一調節方式,投切容量不能連續調節,只能粗略在一定范圍內調節,難以做到判斷正確和操作及時,調節效果已經不能滿足現代電網的需求。

部分實現動態補償的變電站采用調壓式動態補償裝置,原理是在普通的電容器組前增加一臺電壓調節器,利用電壓調節器來改變電容器端部的輸出電壓,進而改變無功輸出容量,調節系統功率因數。調壓式動態補償裝置一般分為九級輸出,屬于分級補償方式,容易產生過補、欠補。另一方面,由于調壓變壓器的分接頭開關為機械動作,因此響應時間慢,需3～4 s,雖然可以及時跟蹤系統無功變化和電壓閃變,但是跟蹤和補償效果稍差。在調壓過程中,電容器頻繁充放電,還會極大影響電容器的使用壽命。一部分變電站安裝了分組自動投切的電容器。晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器、混合型等真正的靜止無功發生器技術,在勝利油田電網還基本沒有采用。

近幾年,隨著油田節能降耗工作逐步深入開展,采油廠注水站和油井安裝了大量變頻裝置和整流設備,在節能的同時,電網諧波污染日益嚴重。另一方面,從2013年開始,勝利油田電網集控站逐步投入運行,無人值守變電站大幅增加,給無功補償和電壓調節提出了更高的要求。原有無功補償存在的問題顯得較為突出,應用動態無功補償和濾波技術愈發急迫。由此,筆者介紹靜止無功發生器在勝利油田變電站中的應用。

3 靜止無功發生器基本原理

靜止無功發生器屬于全新的動態無功補償裝置,核心技術是基于可快速導通和關斷的半導體器件絕緣柵雙極晶體管和脈沖寬度調制,構造三相全控橋式整流逆變電路,交流側經電抗與電網相連,適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值,使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。根據不同的電路結構,靜止無功發生器采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路。目前,工程上應用的靜止無功發生器絕大多數采用電壓型橋式電路。

靜止無功發生器單相等效電路如圖1所示,系統相量圖如圖2所示。靜止無功發生器工作時通過電力半導體開關的通斷,將直流側電壓轉換為與交流側電網同頻率的輸出電壓,通過改變輸出電壓UI與系統電壓US之間的相位角δ,改變逆變器輸出電壓與系統電壓之間的相量差,達到調節電流相位和無功功率的目的。靜止無功發生器在原理上與同步發電機無功調節有相似之處。靜止無功發生器電路流過的電流可能大于0、小于0,或等于0,依次對應靜止無功發生器容性、感性、空載三種運行模式。容性運行模式時,輸出電壓大于系統電壓,超前電流可以通過調節輸出電壓來連續控制,進而連續調節靜止無功發生器發出的無功。感性運行模式時,輸出電壓小于系統電壓,滯后電流可以通過調節輸出電壓來連續控制,進而連續調節靜止無功發生器吸收的無功。

圖1 靜止無功發生器單相等效電路

圖2 系統相量圖

4 應用

4.1 安裝地點

2013年,靜止無功發生器在勝利油田電網35 kV陳莊變得到應用。應用前,陳莊變主要存在以下問題:變電站未進行任何形式的無功補償,功率因數為0.86,低于0.95的國家標準要求;電壓畸變率為3.5%,高于2%的國家標準要求;高壓注水電機較多,沖擊性負荷較大,占總負荷的50%;處于電網末端,因電力緊張易出現甩負荷現象,需要對電壓進行快速支撐,維持電壓水平;所帶6 kV電網中變頻設備較多,在運行過程中諧波含量較高,需進行有效的諧波抑制;為無人值守變電站,設備可安裝面積有限。比較其它無功補償技術,靜止無功發生器在解決陳莊變以上問題時具有優勢。綜合衡量變電站的功率因數和電壓畸變率,按照負荷重、采油負荷為主的選點原則,在陳莊變應用靜止無功發生器進行無功自動補償和諧波治理,選擇鏈式高壓靜止無功發生器,補償容量為4 000 var。靜止無功發生器直接掛接在6kV母線上,受限于變電站空間,采用戶外集裝箱安裝。35 kV陳莊變靜止無功發生器二次接線如圖3所示。

圖3 35 kV陳莊變靜止無功發生器二次接線

4.2 技術參數

應用靜止無功發生器后,技術參數見表1。采用數字信號處理器和復雜可編程邏輯器件,主要的保護功能包括輸出過流保護、電網過壓保護、絕緣柵雙極晶體管驅動故障保護、功率單元直流側過壓保護、超溫保護、通信故障保護,控制技術包括瞬時電流檢測控制、脈沖寬度調制電流跟蹤控制、直接電流閉環控制,可以實現恒電壓控制和恒無功控制的控制模式。

4.3 無功補償裝置構成

應用靜止無功發生器后,無功補償裝置包括控制柜、功率柜、啟動柜,如圖4所示。控制柜由工業控制機、控制系統硬件、電源系統組成,用于控制靜止無功發生器實現預期控制目標,監控系統運行狀態,與上位機進行通信等。功率柜主要由功率單元構成,是靜止無功發生器的主體。功率單元內部主要由功率單元板、絕緣柵雙極晶體管模塊、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,控制絕緣柵雙極晶體管的開通與斷開,產生預期的補償電流。功率單元板同時還具有直流電壓檢測、故障檢測及通信功能。功率單元板檢測的直流電壓通過通信功能傳送至控制系統硬件。功率單元的故障檢測包括絕緣柵雙極晶體管過流、直流側過壓、超溫等。功率單元被檢測到故障時,會第一時間實現對設備的保護,并將故障信息反饋至控制系統硬件。啟動柜由接觸器、軟啟動電阻、避雷器等組成,實現無功補償裝置的啟動和保護。無功補償裝置可以接入變電站無功優化系統,并將數據傳送至遠程電網調度系統,接收遠程電網調度系統的控制投切命令。

4.4 系統結構

鏈式靜止無功發生器星形連接拓撲如圖5所示,每相由若干個H橋式功率單元串聯組成。H橋式功率單元主電路拓撲如圖6所示,功率單元可以輸出-E、0、E三種電平,開關管S1和S2、S3和S4互為互補,互補的開關管互補導通。n個功率單元的輸出電壓相互疊加,可以輸出2n+1電平的相電壓,以及4n+1電平的線電壓,由此實現使用低耐壓器件低開關頻率變換器獲得高電壓高性能輸出的目的。采用這樣的拓撲結構,每增加一個功率單元,相電壓增加2電平,線電壓增加4電平,使輸出電壓波

表1 技術參數

圖4 無功補償裝置構成

形進一步正弦化。H橋式功率單元開關狀態與輸出電壓對照見表2。

圖5 鏈式靜止無功發生器星形連接拓撲

圖6 H橋式功率單元主電路拓撲

表2 H橋式功率單元開關狀態與輸出電平對照

4.5 控制模式

一般情況下,靜止無功發生器采用恒電壓控制,即靜止無功發生器輸出的無功根據系統電壓的變化采用斜線控制,按系統無功電壓要求,快速釋放或吸收無功,提供動態無功支撐,使系統電壓維持在一定范圍內。為達到穩定電壓的目的,一般采用比例積分控制器來保證電壓控制的動態品質和穩態精度。根據對靜止無功發生器工作原理的分析,可以得到靜止無功發生器電壓電流特性,如圖7所示。當電網電壓降低,補償器的電壓電流特性向下調整時,靜止無功發生器可以調整變流器交流側電壓的幅值和相位,使所能提供的最大無功電流ILmax和ICmax維持不變,僅受電力半導體器件電流容量的限制。而對于傳統靜止無功補償器,由于所能提供的最大無功電流分別受并聯電抗器和并聯電容器阻抗特性的限制,因此最大無功電流隨著電壓的降低而減小。由此可見,靜止無功發生器的運行范圍比傳統靜止無功補償器大,傳統靜止無功補償器的運行范圍是向下收縮的三角形,靜止無功發生器的運行范圍是上下等寬的近似矩形。這是靜止無功發生器優越于傳統靜止無功補償器的一大特點。

圖7 靜止無功發生器電壓電流特性

恒無功控制是在控制器故障或其它非正常狀態下采用的一種手動調節無功的手段。此時,靜止無功發生器可以看作無功源,根據設定的無功值,由無功閉環控制使靜止無功發生器達到恒無功輸出。設定的無功值能在滿足規定的范圍內連續可調。恒無功控制與恒電壓控制不能同時采用,兩者進行切換時,可以平滑過渡,并不會引起瞬時無功沖擊。由于靜止無功發生器響應速度快,因此各參量的計算均應采用基于瞬時值的方法,否則參量計算的延時會導致控制器發生振蕩,影響控制器的性能。所以恒無功控制時,無功計算采用瞬時無功功率的計算方法。瞬時無功功率理論中的概念,都是在瞬時值的基礎上定義的,不僅適用于正弦波,而且適用于非正弦波和其它過渡過程。

4.6 應用效果

靜止無功發生器應用后,在無功補償、電壓調節、諧波治理等方面取得了顯著效果,各項技術指標也達到了相應要求。實時功率因數由0.86提高到0.98,電壓畸變率低于2%,單套靜止無功發生器輸出調節范圍為-100%～100%無級可調,濾波效率高于90%,全時響應時間短于10 ms。靜止無功發生器具有一定的1 min短時過載能力,過載無功補償容量為成套裝置總容量的20%。靜止無功發生器還具備完善的控制保護和報警功能,故障時會發出報警信號,嚴重故障時能封鎖驅動脈沖,同時退出運行。

5 常見故障及處理

靜止無功發生器在勝利油田變電站應用尚屬首次,在制造工藝、施工管理、運行穩定性、檢修維護等方面存在一些問題。2013年底應用后,出現三次故障,分別為功率單元過溫報警、柔性插座和T型插頭損壞、單元電壓不平衡保護動作,故障原因依次為夏季運行時功率柜內溫度過高,柔性插座和T型插頭發熱,模擬量采集插件損壞。針對故障原因,采取夏季降低集裝箱運行溫度,改善通風,更換高載流量柔性插座和T型插頭,更換模擬量采集插件等措施。由此可見,在靜止無功發生器應用中,需要提高非關鍵附屬部件的質量,加強施工工藝控制,改善運行環境。

當靜止無功發生器出現故障時,根據就地監控系統顯示的故障信息,進行相應處理。處理功率單元故障時,必須保證靜止無功發生器已經斷電30 min。靜止無功發生器常見故障原因與處理見表3。

6 結束語

靜止無功發生器有動態無功補償和諧波電流補償雙重功能,具有響應速度快、動態范圍寬、補償效果好、抑制諧波能力強、安全性高等特點。靜止無功發生器將傳統靜止無功補償變為動態無功補償,克服傳統靜止無功補償器輸出無功電流依賴電網電壓,抑制諧波需額外安裝濾波裝置等缺點,體積更小,并真正做到能實時動態跟蹤電網無功和諧波變化情況,進行精確無功補償和諧波抑制。靜止無功發生器可以有效提高變電站功率因數,維持電網正常運行下無功潮流的合理平衡,改善電壓質量,提高配電網的供電能力,全面提升電網供電可靠性和安全性,對油田生產用電而言是有力保障。在油田電網改造過程中,靜止無功發生器可以廣泛應用于存在無功缺額的樞紐變電站、沖擊性負荷較多的變電站,以及晝夜和季節用電負荷變化較大的居民區變電站、光伏電站等,具有很高的推廣應用價值。

表3 靜止無功發生器常見故障原因與處理