海上油田加装无功补偿装置的研究

王红（中海石油（中国）有限公司天津分公司）

目前，海上油田大多采用独立的供电系统。相对于陆地电网来说，海上电力系统规模小、稳定性较差。而海上油田电力系统中拥有大量的电动机、变压器等感性设备，这些设备需要大量的无功建立磁场。电气设备要想正常工作，就需要一个能使它做功的功率，这个功率就是有功功率、即对外做功的功率。而无功功率用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率，即对外不做功，所以被称之为“无功”[1]。变压器、电抗器、接触器的工作原理都是电磁感应原理，即需要有一个磁场才能工作、进行电磁能量的转换，在交换的过程中必然会产生电流，这个电流就是无功电流，有无功电流就会消耗无功功率[2]。无功电流在电网中传输将降低电网中发电动机、变压器、海缆等供电设备容量的利用率，增加供电设备及线路的电能损耗，影响电网的供电质量。同时，非线性负荷产生的大量谐波电流注入电网时，导致谐波电压的出现。谐波电压和正常的基波电压叠加在一起，还会造成电网电压发生畸变[3]。随着油田发展的需要，一对一变频器等非线性设备逐渐增加，导致电网中的谐波分量进一步加大，严重影响了油田电网的供电品质和用电设备的使用寿命、稳定性及安全性。

1 无功补偿装置的必要性分析

1.1 理论分析

在海上油田电力系统中存在许多的感性负荷（如平台的大功率潜油电泵、注水泵）和非线性装置（如单井变频器、UPS等电力电子设备）。工业负荷在运行时产生大量的谐波以及消耗大量的无功功率，不仅严重影响了高压配电网的供电质量，还会给电力系统的安全运行带来极大危害[4]，主要对电网有以下严重的影响：

1）需要增加设备容量。无功功率的增加会导致电流和视在功率的增加，从而使发电动机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加[5]。

2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使线路总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加[6]。

3）使线路及变压器的电压降增大。在传输同样功率的情况下，总电流增加将增加设备、线路的损失和增加线路和变压器的电压损失[7]。

4）产生机械振动、噪声和过电压，严重影响了电动机的工作效率和使用寿命。

1.2 海上某油田电网简介

海上某油田由一艘FPSO、单点系泊装置（SPM）和6个井口平台（WHPA～WHPF）组成，FPSO上的主电站系统由5台7.3 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz的Siemens无刷励磁发电动机组和1台6.5 MW，6.3 kV，3 Ph，3 Wire，50 Hz透平发电动机组成。通过3台升压变压器（6.3 kV/10.5 k V）将电压升到10.5 k V后，经过单点电滑环和海底电缆将电能送到6个井口平台（WHPA～WHPF）。每个井口平台再通过2台10.5 k V/0.4 k V的降压变压器降压后，将电能送到400 V低压母排为生产设备及生活设施供电。

1.3 海上某油田电网无功补偿与谐波分析

海上某油田WHPC平台在无功补偿装置安装前进行了电能质量分析波形图，其中：图1为三相电压波形图、图2为电网功率因数波形、图3为电网5次谐波电流波形、图4为电网7次谐波电流波形。

图1 三相电压波形图Fig.1 Three phase voltage waveform

图2 电网功率因数波形Fig.2 Power factor waveform of power grid

图3 电网5次谐波电流波形Fig.3 The 5th harmonic current waveform of power grid

图4 电网7次谐波电流波形Fig.4 The 7th harmonic current waveform of power grid

由图1～图4平台实际测量的波形可以看出，WHPC平台供电系统电压值373 V，功率因数只有0.78～0.81，未能达到0.9以上。电压波形存在畸变，5、7次谐波电流较大，最高可达30 A。利用电能质量检测仪采集数据，实际测得整个平台无功补偿需求容量在1 400 k Var左右。

因此，为了补偿无功功率和抑制电网中谐波电流较大的特定频率谐波的影响，在海上油田引入无功补偿装置是十分必要的。

2 经济效益分析

2.1 海上某油田WHPC平台

根据油田电网的实际情况，决定采用在平台低压400V母线侧进行分散补偿的方式进行无功补偿。选择方案时，既要考虑到改善功率因数，提高系统电压及降低系统电流，又要避免放大5次及5次以上谐波电流。

并联补偿电容器组是供电系统使用最广泛的补偿装置，用于提高功率因数，改善电压质量和降低电能损耗。并联电容器组通常需要加装串联电抗器来限制高次谐波和合闸涌流。但补偿电容器组的串联电抗率（即电抗器感抗与电容器容抗之比）不同，整个系统的阻抗频率特性和滤波器性能也不同。所以LC串联电路在电力系统所需补偿容量一定时，关键是电抗率的确定：当用于抑制5次及以上谐波时，电抗率宜取5%～6%[8]。

因此，WHPC平台选用的NOKIAN CAPACITORS无功补偿装置，采用3台电抗率为6%的调谐滤波器，单台补偿容量为444 kVar，总的补偿容量可达1 332 k Var。内部电容器型号为AL2D 480 V 100 kVar，电抗器型号为XKIB 74/400/6-50，共18组。表1为C平台在安装无功补偿装置前、后数据对比。

由表1可知无功补偿装置投入后，该平台400 V低压母线处无功功率降低850 k Var、电网电压升高12 V左右、电流降低500 A左右、电压畸变率降低60%左右，说明无功补偿装置的投入取得了很好的效果。

表1 C平台在安装无功补偿装置前、后数据对比Tab.1 Comparison by C platform before and after installing of reactive power compensation device

2.2 海上某油田全部井口平台

对该油田全部6个井口平台在无功补偿装置投入前、后的电网参数进行了测量，当无功补偿装置投入后，井口平台400 V低压母线电压由最低366 V提高至374 V，且高压10.5 k V进线电流均降低了20 A左右，6个平台总进线电流降低超过120 A，这样就极大减轻了对输电电缆及单点滑环所造成的巨大压力。

2.3 供电侧无功补偿投入前后的变化

该油田所有平台无功补偿装置全部安装完成后，从动力模块测试无功补偿装置投入和退出前后主发电动机侧电网参数的变化情况如表2所示。

表2 无功补偿装置投入和退出前后主发电动机参数变化Tab.2 Parameter changes of main generator before and after reactive power compensation device

从表2可以看出随着各平台无功补偿装置的逐步投入，无功功率和视在功率明显逐渐下降，功率因数逐渐升高。全部投入后发电动机输出总无功功率降低了23%、视在功率降低了6.8%、功率因数提高了11.25%。无功补偿装置投用后发电动机输出视在功率总共减少了1.79 MVA。

2.4 无功补偿装置对于油田电网谐波的抑制

目前关于电网消谐油田还没有安装专门的设备，只是在无功补偿装置中附带有无源滤波，专门针对电网中特定的5次和7次谐波进行抑制。以WHPC平台为例，通过电能质量测试的结果来分析平台的谐波现状以及投入无功补偿装置前、后谐波电压畸变率的变化情况，测试结果如图5、图6所示。

图5 无功补偿装置投入前电网谐波电压畸变率Fig.5 Harmonic voltage distortion rate of power grid before reactive power compensation device is put into operation

图6 无功补偿装置投入后电网谐波电压畸变率Fig.6 Harmonic voltage distortion rate of power grid after reactive power compensation device is put into operation

从图5和图6中可以看出，在投入无功补偿装置后，电网的5次和7次谐波畸变率明显降低，可见无功补偿装置中的无源滤波器对油田电网中的5次和7次谐波确实起到了一定的抑制作用。

2.5 综合效果分析

1）在投入无功补偿装置后，该油田发电动机组输出的视在功率减少了1.79 MVA，功率因数及负载电压均得以提升，使电网的供电质量得以提高。

2）6个井口平台高压10.5 k V侧总输出电流共降低了120 A，有效降低了输电电缆的电能损耗、降低了发电成本，每年为油田带来的综合经济效益至少100万元[9]。

3）从设备维修成本角度来讲，无功补偿装置降低了存在于电网中的大量谐波，减少了设备因谐波造成的损耗，降低了设备的故障率，一定程度上节约了维修成本。

4）无功补偿装置的投入可以降低油田电网的总负荷，为增加更多的用电设备提供了余量，有利于油田的长远可持续发展。

3 综合治理方案

建议将无功补偿和谐波治理这两种技术相结合。在保证无功补偿装置正常运行的前提下，使谐波滤除装置能最大程度地滤除电网中的谐波电流。以实现对油田供电系统无功功率和谐波电流的综合治理，进一步确保油田电网能够安全经济地运行。

目前谐波电流治理技术主要有无源滤波技术和有源滤波技术两种。无源滤波器，虽然能在一定程度上满足滤波要求，但深入研究不难发现其存在很多不足，如系统阻抗较小，实际滤波效果欠佳，易与系统阻抗发生串、并联谐振等[10]。因此，根据油田的具体实际，采用有源电力滤波器+电容补偿柜的方案比较可取。这里采用电容补偿柜进行无功补偿，主要考虑到充分利用目前油田已安装的电容补偿柜，改造方案成本较低。电容补偿柜作为较早的无功补偿装置，技术比较成熟，但是也有自身难以克服的缺陷。加装有源电力滤波器后，可以降低各次谐波的含量，提高供电系统的可靠性和稳定性；利用现有电容补偿柜，可以分组投切来补偿无功功率，保证功率因数在0.95以上[11]。利用有源电力滤波器，可以降低各次谐波的含量。此方案，目前在兄弟油田已进行了试用并取得了较好的效果。系统投用前、后，该油田电网的功率因数由0.9上升为0.97；电压畸变率由10.7%降为2.5%；电流畸变率由26.3%降为2.2%；总谐波电流由511.75 A降为43.24 A。投用后，电压和电流畸变率均低于国家限值 的5%以下[12]。

4 结论

文中分析了海上油田安装无功补偿装置的必要性。并对海上某平台安装无功补偿装置前后的波形与测量数据进行了对比，发现安装无功补偿装置后该平台400 V低压母线电压由最低时的366 V提高至374 V，电压升高12 V左右，电流降低500 A，无功功率降低850 kVar，视在功率降低250 k VA，电压畸变率降低了60%，说明无功补偿装置的投入对提高电网的供电质量的确起到很大的作用。

通过对投入无功补偿装置后的数据进行的分析：不仅平台自身电能质量得到了很大的改善，而且降低了动力模块电站至井口平台10.5 k V高压侧的输出电流共计120 A，同时油田总视在功率降低了1.74 MVA，每年为油田带来的综合经济效益至少100万元。