SVG动态无功补偿技术在油田变电站的应用与推广

田爱兰　（胜利油田热电联供中心）



SVG动态无功补偿技术在油田变电站的应用与推广

田爱兰（胜利油田热电联供中心）

文中介绍了传统无功补偿技术和SVG动态无功补偿技术，阐述了SVG技术原理、运行方式、控制方法、技术先进性，对SVG动态无功补偿装置进行研究，指定适合油田变电站的SVG动态无功补偿应用方案。通过实际案例，验证SVG动态无功补偿技术在油田变电站的应用与推广的可行性。

油田变电站；静止无功发生器；动态无功补偿；

电力作为油田生产生活的重要保障，运行可靠性和经济性尤为重要。电力系统迫切需要建立以提高电网电能质量、降低电网损耗为核心，树立“安全、经济、低碳、环保”的管理理念，从供、配、用等环节进行一体化研究，利用新技术、新产品制定系统化的节能改造方案，使得各个环节的相关节能配套措施综合应用，电网整体优化运行。无功补偿是有效的节能措施之一，通过无功补偿可有效减少电网无功流动、降低网损、提高电压质量，新一代无功补偿技术——静止无功发生器（以下简称SVG）动态无功补偿技术兼有了动态无功补偿和谐波电流补偿的双重功能，具有响应速度快、动态范围宽、补偿效果好、占地面积小、安全性高的特点，该技术极大提高无功补偿效果，符合智能电网建设需求和油田“四化”建设的需要。

1　无功补偿技术

无功功率补偿简称无功补偿，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。无功补偿技术主要分为电容器组分组固定的补偿方式、调压式补偿方式、SVC静止无功补偿技术、SVG动态无功补偿技术。

1）电容器组分组固定的补偿方式。主要是利用真空开关手动投切并联电容器，这种补偿方式投切时涌流大，开关寿命低，不能实现连续无级调节［1］。

2）调压式补偿方式。根据Q=2πfCU2，改变电容器端电压来调节无功输出，实现自动补偿。利用有载调压变压器（自耦式）调节电容器两端的电压，实现容性无功功率的调节；调压式补偿方式是细化了的分组自动投切，不能实现连续无级调节；变压器受涌流冲击和谐波影响，可靠性下降。无法实现滤波，甚至可能引起谐振的危险［2］。

3）SVC静止无功补偿技术。SVC技术是灵活交流输电（FACTS）技术之一，根据结构原理的不同，SVC技术又分为：晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器 （TSC）、混合型（TCR+TSC）［2］。SVC静止补偿方式优点是结构原理简单，相应的SVC设备成本较低且便于维护，在无功功率控制、灵活性和谐波性能方面均优于FC及电容补偿，并具有三相平衡、限制电压波动和改善闪变状况的能力。

4）SVG动态无功补偿技术。SVG是指采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG是以IGBT为核心的柔性交流输电技术，代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向［3］。动态补偿装置能够快速连续地提供容性和感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。由于SVG具有如此优越的性能，是今后动态无功补偿装置的重要发展方向。

2　SVG动态无功补偿技术

SVG依靠其内部电子开关频繁动作产生无功电流和谐波电流，SVG的基本原理就是自换相桥式电路（电压源型逆变器）通过电抗器或者变压器直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该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。

2.1SVG原理

SVG将电压源型逆变器经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥2部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功功率，可以快速发出大小相等、相位相反的无功功率，实现无功功率平衡，保持系统实时高功率因数运行［4］。

SVG原理见图1，将系统看作一个电压源，SVG可以看作一个可控电压源，连接电抗器可以等效成一个线形阻抗元件。

图1　SVG原理

2.2SVG运行模式

SVG有3种运行模式见表1。

表1　SVG的三种运行模式

2.3SVG的控制方法

作为动态无功补偿的类型之一，SVG的控制策略的选择是根据SVG实现的功能和应用的场合，采用开环控制、闭环控制或者两者结合的策略。在SVG中，外闭环调节器输出的控制信号被视为补偿器应产生的无功电流（或无功功率）的参考值，根据无功电流（或无功功率）参考值调节SVG产生所需无功电流（或无功功率）的具体控制方法，控制方法可分为间接控制和直接控制。

1）电流间接控制方式。将SVG当作交流电源看待，通过对SVG变流器所产生交流电压基波相位和幅值的控制，来间接控制SVG的交流侧电流。

2）电流直接控制方式。采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，跟踪型PWM控制技术采用滞环比较方式或者三角波比较方式。

2.4SVG技术特点

从技术上讲，SVG较传统的无功补偿技术有如下特点［5］：

1）响应时间快。SVG响应时间小于或等于10 ms；传统静补装置响应时间大于20 ms。SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种响应速度完全可以对冲击性负荷的补偿。

2）抑制电压闪变能力强。SVG对电压闪变的抑制可以达到5∶1，甚至更高，由于响应速度极快，增大装置容量可以提高抑制电压闪变的能力。

3）运行范围宽。SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。

4）补偿功能多样化。同一套SVG装置，可以实现多种补偿功能：

◇单独补偿负载无功；

◇单独补偿负载谐波；

◇单独补偿负载不平衡；

◇同时补偿负载无功、谐波和不平衡。

5）滤除谐波功能。该技术自身产生的谐波含量极低，并能通过内部检测电路分离出其中的谐波部分，通过IGBT功率变换器产生与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能。

6）占地面积较小。由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。

2.5SVG动态无功补偿装置

SVG动态无功补偿装置包括功率单元、控制柜和充电柜3部分，结构见图2。

图2　SVG系统结构

1）控制柜由工业控制机、控制系统硬件和电源系统组成。用来控制SVG实现预期控制目标、监控系统运行状态、与上位机进行通讯等。工业控制机是SVG系统的人机界面，用来设置SVG系统的运行参数，来监控显示系统运行状态。电源系统由2个独立电源组成，同时为控制系统供电，实现供电系统的冗余设计。控制系统硬件主要由主控单元和采样单元组成，是SVG装置的大脑。

2）功率柜主要由功率单元构成，是SVG的主体。功率单元内部主要由功率单元板、IGBT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IGBT的开通与断开，产生预期的补偿电流；同时，还具有直流侧电压检测、故障检测及通讯功能。功率单元板检测的直流电压通过通讯功能传到控制机系统；功率单元的故障检测包括IGBT过流、直流侧过压和功率单元超温等，检测到功率单元故障时，会在第一时间实现对设备保护，并将故障信息反馈给控制机系统。

3）充电柜由接触器、软起电阻、避雷器等部分组成，是用来给系统充电并抑制谐波的。充电电阻用来限制SVG起动电流，充电完成后合上充电柜接触器即可。三相电抗器串联在SVG输出侧，用来抑制SVG谐波。

3　无功补偿技术比较

无功补偿技术的比较情况如表2所示。通过对6种无功补偿技术的比较，可发现SVG相应速度最快、谐波电流小、谐波特性好、运行损耗低、噪声低、补偿性能强、可实现动态快速连续调节无功输出，适用于油田变电站的无功补偿。

表2　无功补偿技术比较

4　SVG动态无功补偿技术应用

SVG动态无功补偿技术在胜利油田35 kV陈庄变电站得到应用，陈庄变电站功率因数为0.86（低于0.95的国家标准），电压畸变率为3.5%，（高于2%的国家标准），综合衡量变电站的功率因数和电压畸变率的情况，按照负荷重、采油负荷为主的选点原则，在陈庄变电站应用SVG技术进行无功自动补偿和谐波治理，在6 kV母线侧安装容量为±4 MVA的SVG动态无功补偿装置1套。

按照SD 325—1989《电力系统电压和无功电力技术导则》规定220 kV及以下变电站按需要配置无功补偿设备，容量可按主变容量大10%～30%进行配置，并满足主变压器最大负荷时，其高压侧功率因数不低于0.95。国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》规定电网标称电压为110～6 kV时，电压总谐波畸变率为2.0%～4.0%。

该设备投入后，在无功功率、电压调节、功率因数及谐波治理等方面取得了显著的效果，其各项技术指标也达到了相应的要求：

1）实时功率因数值由0.86提升至0.987；电压畸变率小于2%。

2）单套SVG输出调节范围为-100%～100%（无级可调）。

3）滤波效率大于90%。

4）SVG装置全时响应时间小于10 ms。

5）设备具有一定的短时间（1 min）过载能力，过载无功补偿容量为成套装置总容量的20%。

6）装置具备完善的控制保护和报警措施。在装置故障时提供报警信号，严重故障时能封锁SVG驱动脉冲，同时将装置退出运行。

5　效益分析

5.1经济效益

经胜利石油管理局能源检测站对安装于河口供电公司陈庄变电站动态无功补偿装置的能耗测试，采用SVG动态无功补偿技术后，陈庄变电站无功补偿实现无极调节，补偿效果和质量均达到设计标准，功率因数由改造前的0.86提高到0.987以上。陈庄变电站高压端输送线路盐陈线线损由3.2%降至2%，变损由0.83%降至0.69%。

2014年盐陈线线路损耗减少87.99×104kWh，陈庄变电站变损损耗减少9.65×104kWh。

2014年经测量补偿后陈庄变电站减少的总损耗97.64×104kWh，直接经济效益73.23万元。

补偿容量为±4MVA的SVG装置投运后，运行电流下降，进一步提高了变电站设备利用率，增强了用电高峰期时设备承载能力。

5.2社会效益

通过对变电站进行无功补偿后，间接补偿了胜利发电厂机组无功，降低发电机的无功出力，提高发电机组效率，从而减少燃煤量，降低碳排放。

根据电煤折算量每10 000 kWh相当于1.229 t标煤，年度可减少损耗120 t标煤。按照华北区域电网排放因子0.980 3 t/MWh（CO2），相当于减少温室气体排放957.16 t（CO2）。

6　结论

1）根据胜利油田电网运行特点，确立了以SVG技术为基础的动态无功补偿方案，并进行应用试验，收到良好的应用效果。该变电站功率因数从0.86提升到0.98，谐波总电压畸变低于2%，均达到国家标准。该项目有效提高了电网运行效率和电能利用率，降低了电网损耗，提高了电压质量，保障了电网安全、经济稳定运行。

2）SVG动态无功补偿技术兼有动态无功补偿和谐波电流补偿的双重功能，具有响应速度快、动态范围宽、补偿效果好、占地面积小，安全性高的特点，该技术将传统的静态电容器无功补偿改变为动态无功发生器补偿方式，是无功补偿技术质的飞跃。

3）把先进的SVG技术引入胜利油田电网是油田建设智能电网、绿色电网的典型案例，成功的应用为油田电网稳定经济运行和提升电压质量提供了有力的技术保障，具有较大的应用前景和推广价值。

［1］杨孝志.几种无功补偿技术的分析和比较［J］.安徽电力.2006，23（2）：40-43.

［2］夏祖华，沈斐，胡爱军，等.动态无功补偿技术应用综述［J］.电力设备.2004，5（10）：27-31.

［3］J.Dixon.无功补偿技术的发展（一）［J］.交流技术与电力牵引.2006（5）：31-39.

［4］刘俊杰.静止无功发生器（SVG）的研究与设计［D］.天津：天津理工大学，2012.

［5］蒋佃刚，吴迪.SVG的工作原理及应用［J］.智能建筑电气技术，2015，9（3）：16-18.

（编辑庄景春）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.05.010

田爱兰，工程师，2012年毕业于中国地质学院，从事油田节能工作，E-mail：tianailan937.slyt@sinopec.com，地址：山东省东营市东营区菏泽路胜中热力大队，257000。

2016-01-24