混合式动态无功补偿装置在油田配电网中的应用

张炳成

（新疆油田公司百口泉采油厂，新疆克拉玛依 834000）

在低压电网中，大多数负载为感性负载，如异步电动机、变压器等。近年来大量电力电子设备的应用和大功率冲击性负荷的存在，使得系统的功率因数变低，这些负载消耗的无功如果均要依靠上级电网远距离输送，就会造成线损、压降增大，降低电网的经济效益。因此，目前大都采用使用末端侧补偿的方式，以提高功率因数，减少设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量。

1 油田电网的功率因数特性

在我国的采油厂中，由异步电机驱动的游梁式抽油机仍作为各油田机械采油的主要手段，每天需要消耗大量的能源。目前约70%的抽油机电机的平均负载小于40%，运行效率低于80%，“大马拉小车”现象较普遍，使配电线路的功率因数降低，配电线路网损增大［1］。在抽油机采油过程中，电机工作在两种不同的工作状态：一种是电机带动机械负荷运行，电机为电动机作用，从电网吸收有功功率和无功功率；另一种是机械负荷带动电机运行，此时电机为发电机作用，从电网吸收无功功率，给电网送出有功功率［2］。因此，在整个冲程过程中，均需补偿无功，这是由系统负载性质所决定的。

为得到油田现场的功率因数数据，用一台FLUKE435电能质量分析仪对新疆油田公司百口泉采油厂L213号变压器下出线端进行功率因数监测。该变压器容量为100 k VA，下接4台抽油机，其中2台为30 k VA异步电机，1台为22 k VA的异步电机，1台为18.5 k VA的异步电机。由于其中的1台30 k VA抽油机和一台18.5 k VA抽油机正处于修井状态，因此试验仅开启了一台30 k VA和一台22 k VA的抽油机，在去除抽油机配电柜所带的无功补偿装置后，对变压器出线端的功率因数进行监测，其功率因数曲线如图1所示。

图1 混合式无功补偿装置未投入时的功率因数曲线

从图1可看出，变压器端在无任何无功补偿装置的情况下，整个冲程的大部分时间功率因数在0.2～0.6变化，平均功率因数为0.357 6［4］。这表明抽油机这种特定的负载，如不进行无功补偿，功率因数极低，无功功率在视在功率中占大多数。这种极低的功率因数导致变压器与电网损耗相当严重，因此油田配电网的无功节能降耗空间非常大。

2 现有的无功补偿方式

目前各采油厂普遍投入了无功补偿装置，一般采用的无功补偿装置是电容投切设备。甚至简单到直接并联电容器，只有少数采油厂采用了接触器或晶闸管等投切开关。即使采取了组合投切，组合方式也极其简单。最普遍的补偿方式是在抽油机的电控箱里并接电容。

由于抽油机大部分处于轻载运行状况，并且由于其分散性，低压输电线路较长，本身功率因数又偏低，并接电容的就地无功补偿确实能取得较好的效果［3］。然而，抽油机的有功电流，在整个冲程中是不间断的，并且呈周期性变化，而无功电流也同样是随着有功电流的变化而变化。因此，电容设备往往不能做到精确地投切，同时反应速度也跟不上系统的要求。同时，因为每组投切的电容器组容量固定，所以只能阶梯式投切无功补偿容量，补偿精度差，因此补偿效果不算十分理想。

L213号变压器下的抽油机采用并联电容的无功补偿方案方，一台30 k VA异步电机的控制柜并接两个电容器，一个容量是8 kvar，另一个容量是10 kvar；一台22 k VA的异步电机并接一个电容器，容量为15 kvar。投入电容后变压器出线端的功率因数曲线图如图2所示。

图2 投入并联电容器后的功率因数曲线

由图2可知，投入电容后功率因数有很大提高，在上冲程的大部分时间里功率因数在0.9左右，但当电动机处于发电状态时，功率因数偏低，均小于0.5，从而致使系统平均功率因数仅为0.801 7。虽然比未投电容时有很大改进，但还是不十分理想。

3 混合式动态无功补偿装置

近几年，新型静止无功发生器（SVG）逐渐进入无功补偿领域，SVG基于电压型逆变器原理，使用绝缘门极双极型晶体管（IGBT）来控制逆变交流电压的大小和相位，从而达到无功补偿的目的。由于IGBT的开关频率很高（可达几十千赫兹），所以SVG可以快速对无功负载进行补偿，可以达到非常高的补偿精度。但目前由于技术、工艺及元器件的限制，SVG的成本十分昂贵，无法满足普通无功补偿用户的需求，进而限制了SVG的大规模推广。因此，混合型无功补偿方式，即集成SVG和传统电容投切于一体的混合式动态无功补偿装置，既能满足精细补偿又能保证成本不十分昂贵，因此是油田比较理想的无功补偿装置。

混合式动态无功补偿装置由静止无功发生器单元和投切型电容器／电抗器无功补偿单元两部分组成。在混合式动态无功补偿装置中，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，以实现运行效果与成本的最佳比。

混合式动态无功补偿装置中，静止无功发生器、投切式无功补偿器各单元之间通过控制总线进行交互，根据整体控制策略，确定各部分需要补偿无功功率的时刻及容量。混合式动态无功补偿装置的原理如图3所示。

图3 混合式动态无功补偿装置的原理

在L213号变压器下，投入一台混合式动态无功补偿装置，配置为30 kvar的SVG加30 kvar的投切式电容器／电抗器无功补偿单元。采用变压器下集中补偿的方式，其接入图如图4所示。

图4 混合武功补偿装置接入图

断开与抽油机配电箱中并接的电容器，投入混合式动态无功补偿装置，得到的混合式动态无功补偿装置功率因数曲线图如图5所示：

图5 混合式动态无功补偿装置投运后现场功率因数

由于混合式动态无功补偿装置可实现无级、连续的无功补偿，因此投入混合式动态无功补偿装置后功率因数曲线呈现方波状，不管抽油机是处于消耗有功还是发出有功阶段，其功率因数基本接近1，平均功率因数与无补偿相比由0.357 6上升到0.986 9［4］。

与并联接入电容器补偿方式相比，由于混合式动态无功补偿装置能对现场数据包括系统瞬时交流电流、电压等实现瞬态采集，并通过快速计算确定电容器的投切控制和SVG功率模块的无功功率输出容量，因此所补无功更加精确。同时避免了并接电容器容易产生的过补偿现象。事实是，投入混合式动态无功补偿装置与投入并联电容相比，功率因数由0.801 7上升到0.986 9［4］。

4 结语

传统的无功补偿装置虽然在油田应用广泛，但由于其投切速度慢、投切精度差，对抽油机这种变载负荷无法达到精确补偿。混合式动态无功补偿装置可以实现无级、连续调节输出无功，实现抽油机高功率因数运行。混合式动态无功补偿装置结合了传统电容器并接的低成本以及SVG的连续高精度补偿，是油田适合的无功补偿方案。但考虑到SVG的成本相对较高，变压器端集中补偿比抽油机端分散补偿更具成本优势。变压器下集中补偿既满足了现场补偿的要求，又减少了补偿柜数量，节约了成本。

［1］ 吉效科.油田设备节能技术［M］.北京：中国石化出版社，2011.

［2］ 程汉湘，刘建，文小玲，等.抽油机负载特性及其功率因数提高的研究［J］.电工技术杂志，2003（5）：55-59.

CHENG Han-xiang.A study of the load characteristic and power factor enhancement for oil-pump machine［J］.Electrotechnical Application，2003（5）：55-59.

［3］ 徐甫荣，赵锡生.抽油机节能电控装置综述［J］.电气传动自动化，2004，26（5）：1-8.

XU Fu-rong，ZHAO Xi-sheng.Summarization on energy saving of electric control device for oil pumping jack［J］.Electrical Drive Automation，2004，26（5）：1-8.

［4］ 中国石油天然气集团西北油田节能测试中心.CSVG型低压智能动态无功补偿装置测试报告（2014-156）.