无功补偿及其仿真技术在海洋石油平台的应用

刘 萍，郭 骏

(中海油能源发展股份有限公司 油田建设工程分公司，天津300452)

0 引言

SZ36-1 二期WHPE 平台随着外挂平台调整井逐渐投产、大泵提液项目的进行，以及注水泵投运数量的增加，最终导致E 平台的用电负荷越来越高，已经逼近主变压器的额定容量，在保证油气生产不受影响的前提下，降低主变负荷率，保障油田正常生产已对井口平台电力负荷管理带来了很严峻的挑战。

由于国家对石油能源需求不断增加，绥中作业区油气生产任务艰巨。因此，如何能够在不影响生产的情况下解决E 平台供电主变压器负荷率偏高的问题便成为研究的重点问题。

结合上述电力供需矛盾和不允许停产的要求，对E 平台现场情况进行了仔细分析，并对其电能质量进行了检测，发现其低压侧母线功率因数及电压都偏低，存在很大的无功补偿余量，据此提出在E 平台低压母线增加无功补偿装置，通过减少E 平台整体无功功率来达到降低主供电变压器的负荷率，并提高E 平台电能质量的目的。同时，无功补偿后E 平台供电线路电流减小，相应损耗也会降低，将产生明显的节能减排效果。

由于补偿装置容量占E 平台整体负荷容量比重较大，因此，无功补偿装置对E 平台电力系统电压、谐波等电能质量重要指标会产生明显影响，因此，在项目实施前创新性的使用DDRTS(电力系统实时暂态仿真系统)对加入无功补偿后电力系统的运行情况进行仿真分析，利用该项技术来对无功补偿安装可行性及效果进行评估。

1 无功补偿技术简介

1.1 无功补偿技术原理

电力系统中的许多电设备是根据电磁感应原理工作的，如电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动;变压器需要无功功率建立磁场，使二次线圈感应出电压，在这个过程中消耗的功率称之为无功功率，因此，无功功率并不是没有用的功率。无功功率虽然不可缺少，但是真正对负荷做功的是有功功率，并且由于无功功率同样由电源供给，由输电线路输送至负荷，当电力系统无功功率比重较大时，发电机、供电线路和变压器容量都要增大，不仅增加供电投资、降低设备利用率，也增加了线路损耗。因此，降低电力系统无功流动对维护平台电力系统稳定运行，降低电源容量浪费和输电线路损耗具有重要的意义［3］。

无功补偿装置的作用即是通过容性负荷发出感性设备所消耗的部分无功功率，如无功补偿装置装设在负载侧，则负载侧的无功功率部分由所在地的无功补偿装置提供，从而降低供电线路功率，实现降低线损的目的。

1.2 无功补偿装置作用

1.2.1 提高输变电系统设备利用率

电力系统输变电设备容量是有限的，它的实际传输功率由有功功率和无功功率组成，由下式进行计算:

式中:S 为输变电系统传输视在功率，(kVA);P为输变电系统传输有功功率，(kW);Q 为输变电系统传输无功功率，(kVar)。

由上式可见，当输变电系统传输同样有功功率时，如果传输的无功功率下降，则实际系统传输的容量也跟随下降，换言之，同样容量的输变电系统可以传输更多的有功功率。因此，无功补偿装置可以显著提升输变电系统的容量利用率。

1.2.2 降低线路损耗

电流在供配电线路及变压器绕组中传输过程中将产生损耗，三相交流输电系统功率损耗由下式进行计算:

式中:I 为线路电流，(A);U 为线路电压，(V);R 为每相线路电阻，(Ω)。

可见在输送有功功率不变的情况下，ΔP 与cosφ 成反比，由于无功补偿装置有效提高了功率因数，因此，可以明显降低线路功率损耗，达到降损节电的目的。

1.2.3 降低系统电压损失，提高末端电压水平

由于输变电系统存在阻抗，当负荷电流通过时，会在系统阻抗上产生压降，使末端电压降低，线路产生的电压损失由下式计算:

式中:X 为线路及变压器电抗，(A);UN为线路额定电压，(V)。

由此可见，电压损失包含有功和无功损失两部分。由于平台使用的电缆截面积较大，因此无功部分损失较大，当采用无功补偿技术后，无功部分电压降低，从而提升末端电压。

通过式(3)，可以发现越靠近负载侧，负载电流所经传输线路电抗越大，功率及电压损耗越大，因此，采用负载侧无功就地补偿技术可以使补偿效果最大化。

2 SZ36-1WHPE 平台无功就地补偿仿真研究

2.1 无功补偿装置安装点选择

理想情况下无功补偿装置容量应满足动态调整需求，但结合不允许因安装补偿器停产并且安装空间狭小的平台现场实际情况，所以选择通过630 A 备用开关作为补偿器与低压母线的连接节点，但这在一定程度上限制了无功补偿容量。

结合现场情况，无功补偿装置的接入点定为变压器W1-TRN-02 和W1-TRN-03 低压侧对应的400 V 母线上，如图1 所示。

图1 SZ36-1 WHPE 平台无功补偿装置安装地点

2.2 无功补偿仿真研究

SZ36-1WHPE 平台电力系统电气设备数学模型参数采用《绥中36-1Ⅱ期油田、旅大油田及绥中36-1Ⅰ期调整电力组网工程项目详细设计——电气部分》中相关电气参数，并根据现场电能质量检测采集的当前运行负荷数据及设备运行情况搭建最大负荷工况下WHPE 平台潮流分析模型。

由于无功补偿装置会显著抬升末端电压，因此需要对当前工况潮流进行仿真分析，同时对就地补偿效果进行评估。

2.2.1 未加无功补偿，系统当前工况潮流仿真

对当前工况下未投入无功补偿装置进行系统潮流分析主要目的为校验系统参数设定是否合理，潮流计算结果应与现场实际工况相吻合。图2 所示为当前工况下未投入无功补偿装置系统潮流分布图。

图2 当前工况下未投入无功补偿装置系统潮流分布图

2.2.2 进行无功就地补偿后(每段各补偿350 kVar)，系统当前荷工况潮流仿真

对当前工况下投入无功补偿装置进行系统潮流分析可以发现无功补偿装置显著降低了主变负载率，由83%下降至75%，无功补偿装置安装地点A 段母线电压由381 V 提升至391 V，B 段母线电压由385 V 提升至390 V，提升效果明显，并在合理范围内。图3 所示为当前工况下投入无功补偿装置系统潮流分布图。

图3 当前工况下投入无功补偿装置系统潮流分布图

通过上述仿真表明，在当前工况下，装设无功就地补偿装置效果明显，不会产生末端电压过高的风险。

为了保证在最大工况下供电变压器的可靠性，还需要对系统最大负荷工况进行潮流分析。

2.2.3 未投入无功补偿，系统最大负荷工况潮流仿真

通过仿真分析发现如不增加无功补偿装置，E平台在未来预测最大负荷下主供电变压器将发生超载。同时，LA 段电压下降至373 V，LB 段电压下降至368 V，对电气设备安全运行构成一定影响，此种情况下平台只能通过降低负载来维持电力系统正常工作，进而造成生产不便甚至减产。图4 所示为最大负荷工况下未投入无功补偿装置系统潮流分布图。

2.2.4 进行无功就地补偿后(每段各补偿350 kVar)，系统最大负荷工况潮流仿真

图4 最大负荷工况下未投入无功补偿装置系统潮流分布图

图5 最大负荷工况下投入无功补偿装置系统潮流分布图

由图5 可见，增加无功补偿装置后，有效避免了主供电变压器超载的可能性，LA 段电压提升至384 V，LB 段电压提升至379 V，无功补偿装置接入点电压抬升在合理范围内，因此增加无功补偿装置方案具有可行性。

3 SZ36-1WHPE 平台无功补偿就地补偿实施效果

3.1 投入无功补偿后系统电能质量检测结果

经无功补偿后，SZ36-1 WHPE 平台主供电变压器的负荷率有了明显的下降，同时，负荷侧母线电压及谐波情况都有了明显的改善，无功补偿装置投入前后A 段母线受总ACB1 及B 段母线受总ACB2 的电能质量检测结果如表1，2 所示。

表1 ACB1 电能质量分析结果

表2 ACB2 电能质量分析结果

3.2 投入无功补偿后供电变压器CEP-TRN-01 负载率变化情况

WHPE 平台经无功补偿后，同等工况下WHPE 平台供电变压器CEP-TRN-01 无功负荷由2 119 kVar 降低至1 491 kVar，共降低628 kVar，负荷率则由81．8%降低至76．5%，共降低5．3%，为供电变压器出节约265 kVA 的载荷容量，同时将其负荷功率因数由0．85 提升至0．92。

由补偿前后电能质量测试结果可以明显发现各电气运行数据得到明显改善，电力系统末端电压和功率因数得到显著上升。同时，由于电抗器与电容器构成谐振电路，降低了各次谐波的含量，致使THD(总谐波畸变率)有了明显下降。

4 无功补偿节能减排效果

WHPE 平台供电变压器CEP-TRN-01 经无功补偿后无功功率下降630 kVar，从电源至E 平台0．4 kV 母线共经6．3 kV/10．5 KV/0．4 kV 三次变压，按照国家标准GB12497 《三相异步电动机经济运行》中的规定按照无功经济当量的三次变压取值，则有:KQ=0．08～0．1 选取中值0．09。暨:630 ×0．09=56．7 kW。按1 kW·h=0．1 mm3油田天然气(《GB/T 2589-2008:综合能耗计算通则》)，1 度电排放0．216 kg 二氧化碳(《省级温室气体清单编制指南 发改委气候【2011】1041号》)计算，则无功补偿柜运行1 年(全天运行):

节电40 824 ×12=489 888 kW·h;节气4 082 ×12=48 984 mm3油田天然气;减排8 820 ×12=105 840 kg 二氧化碳;

可见无功就地补偿节能减排效果非常显著。

5 就地无功补偿实施在实际工作中需要注意的问题

就地无功补偿可以改善系统无功潮流分布，提高功率因数及电能质量，但在海洋平台施工过程中，需要注意以下几点:

(1)相对陆地电网，海洋钻井平台空间狭小，对无功补偿装置的体积有严格限制，因此在实施无功补偿前，需对安装环境进行调研，这与陆地电网按补偿容量选择补偿装置的原则有很大区别;

(2)无功补偿方案制定前应先对补偿点进行电能质量检测，分析补偿点的电压和谐波情况，合理选择补偿方式和消谐电抗器参数，如补偿点电压偏高，则宜采用有源滤波器，避免因安装无功补偿装置造成系统电压过高，威胁油气安全生产;

(3)海洋石油平台属易燃、易爆高危环境，因此无功补偿施工必须将安全和可靠性放在首位，无功补偿装置应考虑安装通讯装置与电源管理系统连接，以便实时监控其运行状态。必要时，应为中控系统提供干接点，以便紧急情况远程关断。

6 结论

首次在海洋石油系统内采用无功补偿装置解决因井口平台负荷增加带来的主供电变压器超载运行隐患，并带来电能质量提高、产生节能减排等一系列附加价值，为未来处理平台电力系统供需矛盾提供了一种新思路。同时，采用DDRTS 系统仿真系统搭建平台电力系统模型，为项目实施前进行可行性分析和效果预评价提供了新的技术手段。

该工程的实施能够在解决海洋石油平台电力系统供求矛盾问题的同时，带来电能质量提高以及显著的节能减排效益，符合国家提倡的创建节约型社会以及节能减排战略。

［1］张正凯，盛四清，田文树．基于改进遗传算法的地区电网无功优化［J］．电力科学与工程，2005，(1):73-75．

［2］王飞，潘立冬，姚雷．总线式结构新型低压无功补偿装置［J］．电力科学与工程，2003，(3):66-68．

［3］任丕德，刘发友，周胜军．动态无功补偿技术的应用现状［J］．电网技术，2004，28(23):81-83．

［4］程勇，王培娟，李小刚．无功补偿关键技术的应用［J］．煤炭科学技术，2006，34(5):21-24．

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