综合电能质量补偿装置在油田电网的应用

林淑辉（华北石油管理局水电厂机电设备厂）

综合电能质量补偿装置在油田电网的应用

林淑辉
（华北石油管理局水电厂机电设备厂）

摘 要：本文结合实际工作经验和无功补偿的相关原理，分析了谐波的产生原因和对策，主要研究了静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）对油田综合电能补偿的效果，对当前技术进行了深入分析，特别是对于谐波治理的功效和对过电压/过电流的自我保护，具有一定的指导意义。

关键词：静止无功发生器；补偿；油田

0　引言

油田作为关系到国计民生的重大国家建设资源，电网的安全健康运行对油田企业具有深远的意义[1]。油田中生产设备的复杂和独特性质，使得电网中的谐波检测和计算具有其独特的方法。确定油田电网中谐波的分布水平和总体情况，是十分必要的。只有这样，才能根据这些谐波源的类型进行治理和改进，达到优化系统的目的。同时，应该注意到，由于我国电力系统中长期使用的设备陈旧和无功补偿容量的不足，带来了很多不适应生产力发展的弊端，夹带着社会中各种大功率非线性负荷用户的增加对电网造成的谐波污染和冲击，影响系统运行[2]。而静止无功发生器（SVG）的保护功能和其他调节能力是当前电力系统所必需的，了解并合理地使用，将给油田电网带来强有力的运行保障。

1　研究意义和现状

当前，随着我国工业的发展速度飞快增长，大量的能源消耗导致了石油的需求量与日俱增，而在石油企业的生产压力伴随着社会需求的加大而增加的同时，油田本身对电力系统的依赖性也在加强，油田对供电系统的质量和可靠性的需求越来越高。但是随着电力电子技术的不断普及应用，石油生产各环节都应用了越来越多的非线性负载，比如采油厂和注水站使用大量变频器，配电房使用变频空调和UPS等。随着非线性负载的比例越来越高，负载的动态变化，导致三相不平衡，电力供电质量越来越差。与此同时，原有电力补偿装置的老旧，导致了电能质量的下降不可避免。电网中出现的谐波污染引起的额外能量损耗，以变压器温度的升高，电力电缆、电容等器件的损坏为代价，同时这种污染还会造成电量统计的失准，引起供电方和用户的经济纠纷，特别是油田生产用电量巨大，这种误差带来的影响不容忽视。更为严重的是，这些技术问题会影响油田的正常运转，给社会生活带来不可估量的影响。

国外对电力系统谐波的研究较早，大约在100多年前就有了系统的阐述。早期国外率先使用同步调相机进行无功补偿，但是这种装置具有安装不便，而且成本高的缺点，当前已经很少在电网中使用。之后，由于发现了使用固定容量的电容器可以配合其他方式进行电能质量的补偿，而且这种方法实现简单，是一种低成本高效率的方案。该方法目前在国内外依然还在使用，但是它的缺点也很明显，就是不能连续调节，容易引起谐振。在平稳的电力负荷系统中，电容可以与机械开关搭配使用，实现阶梯形无功调节。当前国际上广泛使用的是静止无功补偿器（SVC），这种装置响应速度和性价比都有了很大的改善，但是引起高次谐振的几率较大。调节范围更广，速度更快的SVG当前是研究的热点。

我国直到20世纪90年代初才开始了在电力系统和相关学科中基于谐波分析的系统性的研究和抑制方法的探索，并开展了对晶闸管控制的SVC的研发工作。投切的并联电容器组是当前在我国电力系统中使用最广泛的无功补偿装置[3]。但是，很多落后地区依然依靠经验来判断整个电网系统的潮流分布和设计补偿方式，效果不理想。还有些地方使用多电容并联的开关方案来进行无功补偿，补偿容量依赖于分组投切的方式，过大或者过小很难判别，没有连续性和精准性。而使用动态补偿方案的成本较大，难以推广。目前国内大容量高电压的SVC产品依然需要依赖于进口设备。值得注意的是，上海市电力局和清华大学电机系经过多年努力研发研制的基于链式结构的±50MvarSTATCOM（SVG），标志着我国相关技术的又一次飞跃，该产品将应用于上海500kV电网中。

2　谐波源的危害

油田电网中生产所使用的大功率电机负荷所占比重较高，是相对最主要的谐波源之一，除此之外，降温使用的空调等非线性电器也是引起谐波污染的来源。要有针对性地提出谐波治理的方案，需要首先确定谐波源，并对谐波的危害有一定的了解。谐波污染的来源主要是：

1）包含半导体非线性元件的器件以及设备，在油田电网中主要是整流设备、整流器相控调制变频器、PWM变频器等，此外，油田设备用于降温的空调设备也是不小的谐波污染源；

2）包含电弧和铁磁非线性的设备，在油田中主要包括发电机、交流电弧炉、变压器、电动机及铁磁谐振设备等。这些动力设备在油田生产中占据了很大的能量消耗，对电网的冲击也很大。

油田中各种生产设备的容量很大，而且数量和种类众多，这些设备中的谐波源会造成极大的危害，对油田的安全高效生产带来很大的弊端，必须加以电能质量补偿装置，才能确保生产的运转[4]。这些危害主要是：

1）谐波会相应地提高油田电网中设备的附加电力损耗率，消耗了大量电能的同时造成设备的温度升高，影响生产效率和电容等元器件的寿命；

2）继电保护以及自动装置的正常工作是以负序量为基础的，这些器件灵敏度很高，极易受到谐波污染的影响，造成装置误操作，降低其可靠性，严重的会导致生产安全事故，或者导致电网瘫痪。

3　综合电能质量补偿装置的电能质量补偿

在电力系统中，同步电动机、同步发电机以及静止无功补偿装置等是比较常见的无功控制方法。目前，在SVC广泛使用的基础上，基于电压源换流器的SVG的综合电能质量补偿装置是一种当前被广泛研究和使用的快速的动态无功补偿装置。它的输出电流不依赖于电压，是一种恒流源器件，具有超快的响应速度，极大地抑制了电压闪变。结合油田电网特性和设备的复杂性，采用多电平技术结合PWM技术消除谐波影响，对油田电网的稳定性和可扩展性有了显著提升[5]。综合电能质量补偿装置应用于电力系统中，主要的作用有：

1）提高暂态裕量，同时可以抑制负荷侧电压波动，校正功率因数，增强系统的暂态稳定性；

2）在无功电流剧增的瞬间，通过瞬时无功补偿来抑制电压崩溃的趋势。同时，不平衡控制策略在负荷不平衡时补偿不平衡负荷使电流变成三相平衡，并且不产生无功分量；

3）在具有无延时检测的同时可以增大系统的阻尼而抑制振荡，提供有效的阻尼系统振荡。

4　结束语

油田中谐波污染的电网线损在缺乏无功调节手段的系统中十分严重，造成资源的严重浪费和电网稳定性的降低。SVG相比于SVC调节优势更多，速度快，范围广，性能优势也很明显，所以成为当前研究的重点。油田电网中合理地使用静止无功发生器可以使电能质量得到明显提升[6]。通过实践经验发现，SVG的使用对于油田电网的主要特征谐波和总体的谐波畸变都起到了很大的抑制效果，对综合电能质量补偿起到了良好的作用，具有很好的现实指导意义和经济效益。

参考文献

[1] 熊以旺. SVG对电气化铁路电能质量补偿效果的研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2009.

[2] 曾正, 赵荣祥, 杨欢, 等. 多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用[J]. 电网技术, 2012(5): 58-67.

[3] 燕翚. 基于电流反馈控制的串联型电能质量补偿器（SPQC）的研究[D]. 南京: 东南大学, 2004.

[4] 张永刚. 适用于电气化铁道的静止无功发生器SVG的研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2012.

[5] 代彬. SVG无功补偿技术及在低压配电网的应用研究[D]. 淄博: 山东理工大学, 2013.

[6] 赵剑锋, 李乃湖. 基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器与电力系统相互作用的研究[J]. 中国电机工程学报, 2001, 21(4): 75-78.

收稿日期：（2015-03-12）