静止无功发生器在油田变电站中的应用

郑春生 李来鸿 周浩伟

胜利石油管理局有限公司电力分公司 山东东营 257000

1 胜利油田电网负荷

胜利油田电网处于山东电网末端,最高电压等级为220 kV,网内拥有1座装机容量为164万kW的大型火力发电厂、143座变电站、1 337条输配电线路。143座变电站的主变安装容量为463.205万kVA,包括3座220 kV变电站、41座110 kV变电站、73座35 kV正式变电站、26座35 kV简易变电站。1 337条输配电线路中,35 kV及以上电压等级输电线路有252条,6 kV～10 kV配电线路有1 085条。胜利油田电网年最高供电负荷为100万kW,年最低供电负荷为70万kW,年转供电量为60亿kW·h。

胜利油田电网的负荷主要分为三类。第一类是机械采油负荷,占负荷总量的65%,主要包括各种类型的电动机、电潜泵等,负荷特点是容量小、分布广、总量大、波动性小。第二类是注水电机负荷,占负荷总量的20%,主要为6 kV大容量同步电机和低压大容量电机,负荷特点是单机容量大、负荷集中、总量平衡、波动性小。第三类是民用负荷,占负荷总量的15%,主要为小型工业企业、办公、居民生活用电设备,负荷特点是相对集中、波动性较大。胜利油田电网总负荷中,85%以上为感性电机负荷,无功消耗大,谐波污染严重,这是胜利油田电网负荷最突出的特点。

2 胜利油田电网无功补偿现状

胜利油田电网143座变电站中,满足无功需求的有88座,无功不足的有29座,没有无功补偿的有26座。目前,胜利油田电网变电站主要的无功补偿方式是在变电站采用多组电容器分组固定补偿,属于集中补偿方式。大部分变电站建设时间长,电容器经过多年运行,老化严重,容量不足,损坏较多。对于没有实现动态补偿的变电站,采用人工投切的单一调节方式,投切容量不能连续调节,只能粗略在一定范围内调节,难以做到判断正确和操作及时,调节效果已经不能满足现代电网的需求。

部分实现动态补偿的变电站采用调压式动态补偿装置,原理是在普通的电容器组前增加一台电压调节器,利用电压调节器来改变电容器端部的输出电压,进而改变无功输出容量,调节系统功率因数。调压式动态补偿装置一般分为九级输出,属于分级补偿方式,容易产生过补、欠补。另一方面,由于调压变压器的分接头开关为机械动作,因此响应时间慢,需3～4 s,虽然可以及时跟踪系统无功变化和电压闪变,但是跟踪和补偿效果稍差。在调压过程中,电容器频繁充放电,还会极大影响电容器的使用寿命。一部分变电站安装了分组自动投切的电容器。晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器、混合型等真正的静止无功发生器技术,在胜利油田电网还基本没有采用。

近几年,随着油田节能降耗工作逐步深入开展,采油厂注水站和油井安装了大量变频装置和整流设备,在节能的同时,电网谐波污染日益严重。另一方面,从2013年开始,胜利油田电网集控站逐步投入运行,无人值守变电站大幅增加,给无功补偿和电压调节提出了更高的要求。原有无功补偿存在的问题显得较为突出,应用动态无功补偿和滤波技术愈发急迫。由此,笔者介绍静止无功发生器在胜利油田变电站中的应用。

3 静止无功发生器基本原理

静止无功发生器属于全新的动态无功补偿装置,核心技术是基于可快速导通和关断的半导体器件绝缘栅双极晶体管和脉冲宽度调制,构造三相全控桥式整流逆变电路,交流侧经电抗与电网相连,适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,使电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。根据不同的电路结构,静止无功发生器采用电压型桥式电路和电流型桥式电路。目前,工程上应用的静止无功发生器绝大多数采用电压型桥式电路。

静止无功发生器单相等效电路如图1所示,系统相量图如图2所示。静止无功发生器工作时通过电力半导体开关的通断,将直流侧电压转换为与交流侧电网同频率的输出电压,通过改变输出电压UI与系统电压US之间的相位角δ,改变逆变器输出电压与系统电压之间的相量差,达到调节电流相位和无功功率的目的。静止无功发生器在原理上与同步发电机无功调节有相似之处。静止无功发生器电路流过的电流可能大于0、小于0,或等于0,依次对应静止无功发生器容性、感性、空载三种运行模式。容性运行模式时,输出电压大于系统电压,超前电流可以通过调节输出电压来连续控制,进而连续调节静止无功发生器发出的无功。感性运行模式时,输出电压小于系统电压,滞后电流可以通过调节输出电压来连续控制,进而连续调节静止无功发生器吸收的无功。

图1 静止无功发生器单相等效电路

图2 系统相量图

4 应用

4.1 安装地点

2013年,静止无功发生器在胜利油田电网35 kV陈庄变得到应用。应用前,陈庄变主要存在以下问题:变电站未进行任何形式的无功补偿,功率因数为0.86,低于0.95的国家标准要求;电压畸变率为3.5%,高于2%的国家标准要求;高压注水电机较多,冲击性负荷较大,占总负荷的50%;处于电网末端,因电力紧张易出现甩负荷现象,需要对电压进行快速支撑,维持电压水平;所带6 kV电网中变频设备较多,在运行过程中谐波含量较高,需进行有效的谐波抑制;为无人值守变电站,设备可安装面积有限。比较其它无功补偿技术,静止无功发生器在解决陈庄变以上问题时具有优势。综合衡量变电站的功率因数和电压畸变率,按照负荷重、采油负荷为主的选点原则,在陈庄变应用静止无功发生器进行无功自动补偿和谐波治理,选择链式高压静止无功发生器,补偿容量为4 000 var。静止无功发生器直接挂接在6kV母线上,受限于变电站空间,采用户外集装箱安装。35 kV陈庄变静止无功发生器二次接线如图3所示。

图3 35 kV陈庄变静止无功发生器二次接线

4.2 技术参数

应用静止无功发生器后,技术参数见表1。采用数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件,主要的保护功能包括输出过流保护、电网过压保护、绝缘栅双极晶体管驱动故障保护、功率单元直流侧过压保护、超温保护、通信故障保护,控制技术包括瞬时电流检测控制、脉冲宽度调制电流跟踪控制、直接电流闭环控制,可以实现恒电压控制和恒无功控制的控制模式。

4.3 无功补偿装置构成

应用静止无功发生器后,无功补偿装置包括控制柜、功率柜、启动柜,如图4所示。控制柜由工业控制机、控制系统硬件、电源系统组成,用于控制静止无功发生器实现预期控制目标,监控系统运行状态,与上位机进行通信等。功率柜主要由功率单元构成,是静止无功发生器的主体。功率单元内部主要由功率单元板、绝缘栅双极晶体管模块、薄膜电容、突波吸收电容、型材散热器等组成。功率单元板接收主控单元发来的控制信号,经解码生成触发脉冲,控制绝缘栅双极晶体管的开通与断开,产生预期的补偿电流。功率单元板同时还具有直流电压检测、故障检测及通信功能。功率单元板检测的直流电压通过通信功能传送至控制系统硬件。功率单元的故障检测包括绝缘栅双极晶体管过流、直流侧过压、超温等。功率单元被检测到故障时,会第一时间实现对设备的保护,并将故障信息反馈至控制系统硬件。启动柜由接触器、软启动电阻、避雷器等组成,实现无功补偿装置的启动和保护。无功补偿装置可以接入变电站无功优化系统,并将数据传送至远程电网调度系统,接收远程电网调度系统的控制投切命令。

4.4 系统结构

链式静止无功发生器星形连接拓扑如图5所示,每相由若干个H桥式功率单元串联组成。H桥式功率单元主电路拓扑如图6所示,功率单元可以输出-E、0、E三种电平,开关管S1和S2、S3和S4互为互补,互补的开关管互补导通。n个功率单元的输出电压相互叠加,可以输出2n+1电平的相电压,以及4n+1电平的线电压,由此实现使用低耐压器件低开关频率变换器获得高电压高性能输出的目的。采用这样的拓扑结构,每增加一个功率单元,相电压增加2电平,线电压增加4电平,使输出电压波

表1 技术参数

图4 无功补偿装置构成

形进一步正弦化。H桥式功率单元开关状态与输出电压对照见表2。

图5 链式静止无功发生器星形连接拓扑

图6 H桥式功率单元主电路拓扑

表2 H桥式功率单元开关状态与输出电平对照

4.5 控制模式

一般情况下,静止无功发生器采用恒电压控制,即静止无功发生器输出的无功根据系统电压的变化采用斜线控制,按系统无功电压要求,快速释放或吸收无功,提供动态无功支撑,使系统电压维持在一定范围内。为达到稳定电压的目的,一般采用比例积分控制器来保证电压控制的动态品质和稳态精度。根据对静止无功发生器工作原理的分析,可以得到静止无功发生器电压电流特性,如图7所示。当电网电压降低,补偿器的电压电流特性向下调整时,静止无功发生器可以调整变流器交流侧电压的幅值和相位,使所能提供的最大无功电流ILmax和ICmax维持不变,仅受电力半导体器件电流容量的限制。而对于传统静止无功补偿器,由于所能提供的最大无功电流分别受并联电抗器和并联电容器阻抗特性的限制,因此最大无功电流随着电压的降低而减小。由此可见,静止无功发生器的运行范围比传统静止无功补偿器大,传统静止无功补偿器的运行范围是向下收缩的三角形,静止无功发生器的运行范围是上下等宽的近似矩形。这是静止无功发生器优越于传统静止无功补偿器的一大特点。

图7 静止无功发生器电压电流特性

恒无功控制是在控制器故障或其它非正常状态下采用的一种手动调节无功的手段。此时,静止无功发生器可以看作无功源,根据设定的无功值,由无功闭环控制使静止无功发生器达到恒无功输出。设定的无功值能在满足规定的范围内连续可调。恒无功控制与恒电压控制不能同时采用,两者进行切换时,可以平滑过渡,并不会引起瞬时无功冲击。由于静止无功发生器响应速度快,因此各参量的计算均应采用基于瞬时值的方法,否则参量计算的延时会导致控制器发生振荡,影响控制器的性能。所以恒无功控制时,无功计算采用瞬时无功功率的计算方法。瞬时无功功率理论中的概念,都是在瞬时值的基础上定义的,不仅适用于正弦波,而且适用于非正弦波和其它过渡过程。

4.6 应用效果

静止无功发生器应用后,在无功补偿、电压调节、谐波治理等方面取得了显著效果,各项技术指标也达到了相应要求。实时功率因数由0.86提高到0.98,电压畸变率低于2%,单套静止无功发生器输出调节范围为-100%～100%无级可调,滤波效率高于90%,全时响应时间短于10 ms。静止无功发生器具有一定的1 min短时过载能力,过载无功补偿容量为成套装置总容量的20%。静止无功发生器还具备完善的控制保护和报警功能,故障时会发出报警信号,严重故障时能封锁驱动脉冲,同时退出运行。

5 常见故障及处理

静止无功发生器在胜利油田变电站应用尚属首次,在制造工艺、施工管理、运行稳定性、检修维护等方面存在一些问题。2013年底应用后,出现三次故障,分别为功率单元过温报警、柔性插座和T型插头损坏、单元电压不平衡保护动作,故障原因依次为夏季运行时功率柜内温度过高,柔性插座和T型插头发热,模拟量采集插件损坏。针对故障原因,采取夏季降低集装箱运行温度,改善通风,更换高载流量柔性插座和T型插头,更换模拟量采集插件等措施。由此可见,在静止无功发生器应用中,需要提高非关键附属部件的质量,加强施工工艺控制,改善运行环境。

当静止无功发生器出现故障时,根据就地监控系统显示的故障信息,进行相应处理。处理功率单元故障时,必须保证静止无功发生器已经断电30 min。静止无功发生器常见故障原因与处理见表3。

6 结束语

静止无功发生器有动态无功补偿和谐波电流补偿双重功能,具有响应速度快、动态范围宽、补偿效果好、抑制谐波能力强、安全性高等特点。静止无功发生器将传统静止无功补偿变为动态无功补偿,克服传统静止无功补偿器输出无功电流依赖电网电压,抑制谐波需额外安装滤波装置等缺点,体积更小,并真正做到能实时动态跟踪电网无功和谐波变化情况,进行精确无功补偿和谐波抑制。静止无功发生器可以有效提高变电站功率因数,维持电网正常运行下无功潮流的合理平衡,改善电压质量,提高配电网的供电能力,全面提升电网供电可靠性和安全性,对油田生产用电而言是有力保障。在油田电网改造过程中,静止无功发生器可以广泛应用于存在无功缺额的枢纽变电站、冲击性负荷较多的变电站,以及昼夜和季节用电负荷变化较大的居民区变电站、光伏电站等,具有很高的推广应用价值。

表3 静止无功发生器常见故障原因与处理