大庆油田配电网节能与电能质量综合治理的应用研究

邓凡良（中国石油集团电能有限公司）

1 研究设计方案

首先分析目前现场情况下的无功、谐波以及三相不平衡的补偿要求和容量特点[1]，进行现场调研，选取典型低压线路进行现场测量，并对现场进行考察，针对现场调研情况，结合相关的参考设备，对配网节能综合治理装置的结构进行研究，设计开发符合需求的电能质量[2]综合治理装置，选择典型低压线路试点进行装置安装运行，最后对试点现场运行情况进行测量、分析，符合预期目标，然后进行推广。

2 配网节能综合治理装置的原理

1）静止无功发生器和电容器组共同组成补偿系统[3]：由静止无功发生器进行快速、高精度无功、谐波以及三相不平衡补偿，电容器组进行慢速、阶梯无功功率补偿[4]。配网节能综合治理装置原理见图1。

图1 配网节能综合治理装置原理

配网节能综合治理装置由两部分单元组成——静止无功发生器单元（SVG）、投切型电容器无功补偿单元（TSC）[5]。在补偿装置中，各单元均采用小功率、小体积、低成本方式进行设计生产，均为可选单元，可根据现场的实际无功状态进行最优、灵活组合方式[6-7]，以实现运行效果与成本的最佳比。配网节能综合治理装置拓扑见图2。

图2 配网节能综合治理装置拓扑

2）系统功能的实现：装置采用SVG与TSC混合方式进行无功补偿，SVG检测系统无功功率，控制电容器投切，并确定自身无功发出的容量及时刻；通过配置SVG与TSC容量比例，对无功变化慢、范围小的应用，采用小容量SVG加大容量TSC的方案；针对无功变化快、范围大的应用，采用较大容量SVG加适当容量TSC的方案；现场运行过程中，对大容量、固定的无功，TSC进行补偿；对小容量、变化快的无功，SVG快速发送无功进行补偿，实现快速无功补偿响应（小于5 ms）和高功率因数补偿（大于或等于0.98）。

3 装置电路结构及控制策略

3.1 综合治理装置电路结构

配网节能综合治理装置中静止无功发生器[8]主电路结构见图3，图中C为滤波电容，Rd为等效负载电阻。

图3 配网节能综合治理装置中静止无功发生器主电路结构

配网节能综合治理装置的主控制器采用先进的数字信号处理器（DSP）作为其主控制处理器。其主要控制结构包括模拟信号采集模块、模拟信号调理模块、主控制器模块、数据分析模块、通讯模块、触发逻辑信号处理模块[9]（FPGA）和逆变单元模块（IGBT驱动和保护）等。模拟信号采集模块将三相交流电压、三相交流电流、直流电压等信号进行采集，经模拟信号调理模块转换为可供DSP芯片TMS320F2812采集的信号，DSP芯片以12.8 K的采样速率对输入的模拟信号进行采集，并将采样数据发送给DSP TMS320F6000进行快速计算并生成控制策略，最终通过FPGA对逆变单元进行控制，实现无功功率的补偿。

主控制器的程序涵盖了DSP的初始化设计、防积分饱和的数字PI调节器设计、A/D转换器的采样、Clarke变换[10]、无功检测、无功控制策略、无功控制、保护动作、SVPWM的区间判别和定时器时间确定、各相关量的计算等。

配网节能综合治理装置优点：多种补偿模式，可同时补偿无功、谐波以及三相不平衡；动态跟踪补偿，补偿精度高，响应速度快；既能补偿感性无功，也能补偿容性无功；使用寿命长，MTBF＞10万小时；阻抗对系统无穷，不受谐波影响，不产生谐振；缺点：前期成本投入较高。传统电容器补偿优点：结构简单，运行维护简单；成本低；缺点：补偿精度差；响应时间慢；容易产生谐振；电容器只能补偿容性无功，且寿命较短，易损坏，维护成本高。

3.2 对比分析

通过现场安装及运行，以大庆油田北龙岗某号变压器为例，对其应用前后数据对比见表1。

表1 应用前后数据对比

4 效益分析

配网节能综合治理装置具有两种安装方式，分别为落地式安装和杆上安装。在油田电网随机选择50台变压器进行配网节能电能质量综合治理，每台装置容量100 kVar，采用落地式安装。根据GB/T 12497—2006《三相异步电动机经济运行》中无功经济当量计算方法：

式中：ΔF为节省的电费支出，元；Qc为无功补偿容量，k Var；β为单位有功电度价格，元/kWh；Cb为无功功率经济当量，k W/kVar；T为补偿装置运行小时数；tanδ为补偿设备的损耗，kW/k Var；上述公式中如：

经计算节电费支出13 400元/a，则每台设备预计年节电26 280 kWh，年节约电费约8 000元（按每度电0.51元计算），50台装置一年可节省电费约40万元。

随着目前UPS、节能LED灯等大规模整流器件的使用，导致线路存在大量的谐波，谐波和无功不仅增加了线路损耗，而且导致用电设备的损坏概率增加，由于商业和小区单相用电的特点，所以线路中也存在三相负荷不平衡的现场，造成线路和变压器的损耗。同时，随着用户对用电质量的要求越来越高，针对配网进行谐波、无功补偿和三相负荷不平衡等电能质量问题治理，存在巨大的节能降耗空间，产生较好的社会和经济效益。

5 结论

为油田用户提供优质经济供电是油田电网的主要任务之一，随着油气生产对电能质量的要求越来越高，非线性负荷的增加也成为影响油田电网电能质量的重要因素，从小容量的机泵到大容量的工业交直流变换装置，都会引起电网的无功和谐波问题，可以说用户负荷正成为电网无功、谐波的主要来源。而电网电能质量问题会造成电网很大的设备和线路损耗，造成能源浪费，同时也会给电力系统的安全稳定运行造成很大影响。传统的无功补偿装置逐渐无法适应现场各种环境，因此我们针对当前电能质量问题提出了适应油田自身特点的配网节能综合治理措施，能够有效治理各种电能质量问题，具有广泛的应用及推广价值。