无功混合补偿在煤层气抽采中的应用

王斌斌 武伟伟 罗小蕾（河南费曼电力技术有限公司）

煤层气的分布情况导致了开采时配电网存在供电线路长且分支多的问题；而为了保证连续稳定的产量，考虑到抽采设备工作时的特性，企业通常会选用功率较大的三相交流异步电动机，造成抽采设备和配电变压器的负荷率低[1-3]；所以，配电网存在功率因数低、线路损耗大、线路末端电压低、设备利用率低等问题。而传统的分级投切固定电容器组的补偿方式为补偿成本低、补偿容量有级差。静止无功发生器能够跟踪快速变化的无功，补偿精度高，但目前大容量的静止无功发生器的成本较高[4-5]。无功混合补偿装置结合了两种补偿方式的优点，实时跟踪负载的无功变化，可以实现大容量、连续的无功补偿。在提高配电网络功率因数、降低线路损耗的同时，可有效控制无功补偿的成本。

1 补偿策略

为了最大限度减少无功功率在供电系统中的传输、释放，提高供电和用电设备的利用率，通常采用的无功补偿方式有以下3种。

1）集中补偿。即在变电站中10 kV侧进行集中无功补偿。根据“分层平衡，就地补偿”的无功补偿原则，在变电站中进行的无功补偿可提高变电站主变压器的功率因数，降低主变压器无功损耗及其前级输电线路的损耗；但对减少配电网整条线路的无功负荷和降低供电线路损耗的效果有限。

2）随机补偿。通常在抽水机的控制箱中设置几组相应容量的电容器，采用分级投切的方法进行无功补偿。由于电容器的额定容量是定值，不能连续对配电网进行无功补偿，存在欠补偿或者过补偿的情况；再加上执行投切操作时存在的延时，导致无功补偿的效果不理想。频繁的执行投切操作也会降低无功补偿设备的使用寿命。此外，抽水机数量众多，采用随机补偿时工作量大，维护不易。

3）随器补偿。即在配电变压器处进行无功补偿。通常1台配电变压器带4～10台抽水机，通过对该变压器用电情况的分析，进行合理的随器补偿。这不仅可以提高变压器的功率因数，降低配电网损耗，而且可以释放变压器的容量，具有较高的性价比。考虑到抽水机工作时负载无规律波动的特殊性，采用随器补偿方式对配电网进行无功补偿。

2 补偿方法

1）分级投切电容器组。分级投切电容器组由接触器投切电容器（CSC）和晶闸管投切电容器（TSC）构成。而抽水机作为煤层气抽采的主要设备，其一个工作周期包括一个上冲程和一个下冲程，在一个工作周期内有功功率和无功功率变化幅度大，功率因数变化快。采用分级投切电容器组进行无功补偿时存在以下问题：投切补偿电容器有延时，通常做不到实时补偿；电容器的额定容量固定，补偿容量是跳跃式的，存在补偿不足或者过补偿的情况，无法完全补偿；投切装置频繁动作会降低补偿设备的使用寿命，其优点是技术成熟、补偿的容量大及补偿的成本低。

2）静止无功发生器。电力电子技术和计算机控制技术的发展，使得静止无功发生器（ESVG）在无功补偿中得到越来越多的应用。ESVG是极性可调的无功电流装置，根据负载的变化情况，通过实时调节变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，可以使ESVG连续发出或者吸收无功电流，从而实现动态快速连续的无功补偿的目的，补偿效果好[6]。但大容量的ESVG成本较高，而配电变压器数量众多，所以只采用ESVG进行无功补偿时的成本也较高。

3）TSC和ESVG的混合补偿。无功混合补偿装置采用TSC和ESVG的组合方式进行无功补偿。利用TSC对配电网中的无功功率进行分级补偿，利用ESVG对系统无功和TSC之间的无功差额以及系统中的动态无功进行跟踪，实现连续动态的补偿。两者相结合的补偿方法避免了补偿不足或者过补偿的情况发生，提高了补偿效果，降低了补偿成本。合理设置TSC和ESVG的容量比可有效降低无功补偿的成本，是无功补偿的一个发展方向。文中采用混合补偿方式对配电网进行无功补偿。

3 设备设计

3.1 设备结构与原理

无功混合补偿设备中，ESVG和TSC采用并联结构（图1）。其中ESVG采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成三相桥式变流电路，通过LC滤波器接入系统；利用正弦脉宽调制（SPWM）法控制IGBT的通断，使ESVG发出无功功率或者吸收无功功率。根据接收到的补偿指令信号，ESVG在容量范围内可以快速连续跟踪补偿负载的无功功率，输出无功功率不受系统电压的影响。利用TSC进行无功分级补偿：在电压过零时投入电容器，在电流过零时切除电容器，减少投切过程中对系统和补偿装置带来的冲击影响[7-9]。无功混合补偿装置集合了两种补偿方式的优点，根据负载无功功率的变化情况，适时作出合理的决策进行无功补偿，提高配电网的功率因数。

图1 混合补偿设备结构Fig.1 Structure of hybrid compensation equipment

混合补偿装置中ESVG和TSC的容量配比及TSC中电容器的容量分配，是影响补偿效果和补偿成本的重要因素。通过分析系统在不同时间段的无功需求，可以得到系统无功缺额中的平均静态容量及动态容量的最大值[10]。利用公式（1）可以求得TSC的补偿容量及ESVG的补偿容量：

式中：QT为TSC的补偿容量，kVar；Qj为无功缺额的平均静态容量，kVar；QE为ESVG的补偿容量，kVar；Qdx为系统无功缺额的动态容量最大值，kVar；k为系数，由电容器的额定工作电压和系统电压比值的平方确定。

TSC的容量分配则需要根据补偿容量和系统无功缺额中的最小静态值共同决定。通过对煤层气抽采供电系统的无功需求分析，分别选取额定容量为5 kVar和10 kVar的电容器作为基准单元。

以75 kVar混合补偿装置为例，ESVG的额定补偿容量设置为30 kVar，TSC的额定补偿容量设置为45 kVar，取5 kVar作为基准单元，容量以1∶2∶2∶4的比例分配，则TSC可以提供的补偿容量如表1所示。

由表1可知，在额定容量范围内，TSC可以提供9种不同的补偿容量与ESVG配合，第n+1组和第n组之间的补偿容量差额均为5 kVar。ESVG输出的无功功率由系统无功缺额和TSC的补偿容量共同决定：

表1 TSC补偿容量Tab.1 TSC compensation capacity

式中：Qe为ESVG输出的无功功率，kVar；Q为系统无功缺额，kVar；Qt为TSC输出的补偿容量，kVar；n为组别，取值范围是1≤n≤9。

当系统无功缺额为0＜Q≤45 kVar时，n向下取整；当45 kVar＜Q≤75 kVar时，n取9。

3.2 控制系统

控制系统中硬件以TMS320F28335作为控制单元，围绕该处理器设计相应的指令检测电路、信号调理电路、信号跟踪控制电路、IGBT驱动电路、晶闸管驱动电路、保护电路等。TMS320F28335的时钟频率最高可以设置为150 MHz，处理器的速度快、精度高、功耗小，片外设备的集成度高，数据和程序的存储量大，并且具有浮点计算能力。软件开发环境为CCS3.3，在集成开发环境中通过Graph窗口可以图形显示数据，方便对比数据，适时调整控制程序，也可通过上位机调整相关参数。

控制系统中软件由主程序、中断服务程序及采样子程序构成。主程序的作用是完成系统中的ePWM（增强型脉宽调制器）、ADC（A/D转换器）、GPIO（通用数字输入/输出端口）等模块的初始化及各级中断使能，主程序流程如图2a所示。中断服务程序调用AD采样子程序，完成系统电压、系统电流、补偿电流和直流电压的采样，计算系统的相序、频率、功率因数及无功功率等参数，确定无功补偿容量，根据ESVG和TSC的容量配比确定补偿方案，中断服务程序流程如图2b所示。捕获中断的作用是锁相及跟随电网电压的频率。故障中断具有最高的优先级，出现故障时，故障中断被触发，设备进入保护状态，闭锁输出。

图2 程序流程图Fig.2 Program flow chart

4 试验应用

在设计理论指导下，制作了设备样机，样机容量为75 kVar，其中TSC容量为45 kVar，共分为4组：5+10+10+20；ESVG容量为30 kVar。为了验证装置的补偿效果，在某集团公司二工区进行了测试，测试数据见表2。由表2可知，无功混合补偿装置投入后，各变压器的功率因数在0.98以上，补偿效果良好，装置的补偿性能满足设计要求。

表2 二工区装置补偿效果测试数据Tab.2 Test data of device compensation effect in No.2 work area

以1号变压器为例，该变压器额定容量为200 kVA，补偿前功率因数为0.30～0.82，有功功率为15～60 kW，无功功率为35～62 kVar。

无功补偿装置运行前配电网的电压和电流波形如图3a所示。A相电压Ua的相位超前电流Ia为50.76°，补偿前功率因数为0.63，电流有效值为136.5 A。无功补偿装置运行后配电网的电压和电流的波形如图3b所示。A相电压Ua的相位超前电流Ia为14.4°，补偿后功率因数为0.97，电流有效值为90.5 A。补偿后该条配电线路的线损降低率η为

图3 补偿前后电压、电流波形Fig.3 Voltage and current waveforms before and after compensation

式中：cosφ1为补偿前功率因数；cosφ2为补偿后功率因数。

根据《变压器经济运行》和《三相异步电动机经济运行》规定，无功功率补偿后节约的有功功率为：

式中：ΔPU为有功功率下降值，kW；KQ为无功经济当量，三次变压取0.08～0.1；QC为就地补偿的无功功率，kvar；P为系统的有功功率，kW。

根据公式（5）、（6）计算，可得补偿后的有功功率下降值为4.5 kW。按每天工作24 h、年工作330天计算，补偿后的年节电量为3.5×104kWh；按电费0.725元/kWh计算，年节电费用为25 375元。

5 结论

现场测试验证了无功混合补偿装置具有良好的无功补偿效果，可有效解决煤层气抽采中的无功补偿问题。该装置有效结合了TSC和ESVG两种无功补偿方式的优点，能实时跟踪配电网无功功率的变化，并根据两者的容量作出合理的决策，实现对系统无功功率连续动态的补偿，避免了欠补偿和过补偿的发生；可有效降低变压器的无功损耗和配电网的线损，实现了绿色用电。在控制补偿成本的同时可取得较好的补偿效果。