變電站自動無功補償技術分析

鮑兵 陳學梅 陳津剛 趙中山 李紅艷 祖振昆

（大港油田公司采油工藝研究院 天津 200380）

1 變電站無功補償的作用

在油田生產中用于驅動采油、注水、輸油設備的電機和配電用的變壓器均為感性負荷，在運行過程中電網不僅需要向這些設備提供有功功率，而且同時需要提供無功功率。無功功率不是負載實際消耗的功率，而是在電網和負載之間不斷交換的功率。為了降低電網輸送的無功功率，在變電站一般是把具有容性無功輸出的電容器與感性無功負荷并聯在同一電路。經過電容器無功補償后，負載所需要的無功功率絕大部分由電容器提供，電網輸送的無功電流大大減少，電網安全穩定經濟運行的水平得到提高。

變電站無功補償的作用主要有：

（1）提高電網功率因數；

（2）降低電網運行電流；

（3）降低導線及變壓器功率損失；

（4）提高電網電壓質量；

（5）增加輸電線路和變壓器使用裕度。

如圖所示，電容補償后，電網輸送電流I從I1降到I2,使得電網損耗降低，壓降降低，功率因數升高，同時電網使用裕度也增加。

圖1 無功補償電路圖和相量圖

2 無功補償的現狀及存在問題

2.1 無功補償的現狀

目前大港油田有變電站30座，電容器總容量15.4萬kVar,約占變壓器總容量1/3。無功補償普遍采取的方式為電容器固定式靜態補償，人工投切。這種方式接線簡單、設備少、投資小，但存在技術落后，跟蹤效果差的缺點，容易出現欠補償和過補償的情況。以港東110kV變電站為例，在用電高峰期，有功功率 6.03～17.85MW，無功功率 0.08～3.21MVar，平均功率因數>0.98，雖然功率因數很高，但在用電高峰時無功功率的需求量很大，無功補償量不足，屬于欠補償狀態；在用電低谷期，有功功率1.95～6.50MW，無功功率-0.26～-1.58MVar，平均功率因數>0.96，雖然平均功率因數很高，但在用電低谷時無功功率的需求量降低，無功補償量過大，屬于過補償狀態。

2.2 存在問題

（1）值班員根據功率因數大小和電壓水平分析判斷后，人工投切電容器，無功補償跟蹤速度慢，效果差。

（2）由于負荷的變化，無功功率也隨之發生變化，如果還按照固定容量補償，容易出現過補償（無功功率需求降低時）和欠補償（無功功率需求增加時），造成電網電壓波動，縮短電氣設備使用壽命。

（3）人工投切電容器時，還存在操作時的安全風險。

3 自動無功補償技術分析

根據無功功率需量和電網電壓大小自動快速補償無功功率，目前主要有三種技術。

HVC：High Voltage Capacitor接觸器控制電容器組

TSC：Thyristor Switching Capacitor可控硅控制電容器組

SVG：Static Var Generator靜態無功發生器

3.1 HVC技術

HVC技術是采用真空接觸器控制分組投切電容器，實現無功自動跟蹤補償。它的優點是裝置簡單、占地面積小、投資少。適合負荷平穩、波動小的變電站無功補償。存在的缺點有：

（1）對波動大、沖擊性負荷，HVC做不到動態跟蹤，不能頻繁投切；

（2）電容投入瞬間，電容器的沖擊電流會在系統電壓波形上產生凹陷，影響電能質量，會影響到系統的其它設備正常運行；

（3）分組投切，補償精度比較粗，更做不到連續補償；

（4）電源特性不好，系統電壓偏低時，正是最需要補償電容器出力的時候，但電容器的輸出補償容量按電壓的平方急劇下降，不利于系統電壓的穩定。

圖2 分組機械投切電容器示意圖

3.2 TSC技術

TSC技術是采用可控硅作為開關元件分組投切電容器，實現無功自動跟蹤補償。它的優點有：

（1）能快速跟蹤變化的負荷，實現動態投切，響應時間≤20ms；

（2）采用過零投切先進技術，保證電容器投切瞬間無沖擊涌流；

（3）自身不產生諧波。

TSC技術適合系統內有沖擊性變化負荷，無功補償量需要頻繁變化的場合。它的缺點是：電容器分組投切，補償容量有臺階，不能連續輸出無功，在需要精確補償場合，電容器分組要多，占地面積大，成本增加。

圖3 可控硅分組投切電容器示意圖

3.3 SVG技術

SVG技術原理是將電壓型變流器通過電抗器并聯在電網上，控制變流器交流側輸出電壓相位與電源相位一致，調節變流器交流側輸出電壓的幅值，就可以使其吸收或發出可連續調節的無功電流。它的優點有：

（1）雙向連續調節無功功率輸出；

（2）響應速度快，時間≤10ms；

（3）補償器無功輸出受接入點電壓影響小。

它的缺點有：

（1）裝置體積較大，投資較高；

（2）補償電流有少量諧波。

圖4 靜態無功功率發生裝置示意圖

3.4 自動無功補償技術性能比較

表1 自動無功補償技術性能比較表

從上表可以看出，HVC由于結構簡單，在設備投資方面具有明顯優勢；SVG響應速度快，可以實現雙向連續無功補償，并且沒有電容器，不會產生串聯和并聯諧振，這些優良性能都是HVC和TSC所無法比擬的。

4 變電站無功補償技術優化方案

為了滿足大港灘海油田生產用電需求，2010年要建成投產埕海110kV變電站。埕海110kV變電站，設計一期主變容量20000kVA，二期主變容量40000kVA，采用有載調壓方式，電壓等級為110/35/10kV。110kV側、35kV側、10kV側均采用單母線分段接線。主要設備采用先進技術，其中110kV開關采用SF6封閉式組合電器，35kV開關采用SF6氣體絕緣開關柜，10kV開關采用永磁機構真空開關柜。10kV無功補償設計容量為2×4200kVar。變電站為埕海一區、二區、三區、聯合站和羊二莊油田供電，主要用電設備有油井、注水泵、輸油泵和天然氣壓縮機，用電負荷預測達到1.6萬kWh。埕海油田用電特點是產能建設期間負荷變化大，投產后負荷相對穩定。

通過對無功補償新技術的分析，結合埕海油田的特點，從技術先進性和經濟合理性綜合考慮，設計以下四套不同的方案:

*采用HVC接觸器控制方式，電容分三組:600kVar、1200kVar、2400kVar；

*采用TSC可控硅控制方式，電容分三組:600kVar、1200kVar、2400kVar；

*采用TSC+HVC組合方式，電容分三組:TSC控制 600kVar,HVC 控制 1200kVar、2400kVar；

*采用SVG+HVC組合方式，SVG控制750kVar、HVC 控制兩組電容：1500kVar、2000kVar

4.1 方案一：采用HVC接觸器控制方式

采用接觸器投切電容器的HVC補償方式，能跟蹤負荷變化，分組投切電容器，提高系統功率因數，結構簡單，自身功耗低。但補償裝置要分組投切，每級級差在600kVar，會出現無功不能被精確補償、功率因數不高的情況。若增加HVC的分組數，把級差做小了，會增加設備的投資，性價比下降。

表2 HVC 控制方式下補償及動作情況

4.2 方案二：采用TSC可控硅控制方式

TSC可控硅控制裝置與采用接觸器投切電容器的HVC方式比，TSC能快速跟蹤負荷變化，分組投切電容器，提高功率因數，自身不產生諧波，同時還可以通過精確控制可控硅做到過零投切，減少沖擊電流，提高設備使用壽命。但TSC裝置價格高，效率低，同時 6（10）kV補償級差也在 600kVar，會出現無功不能被精確補償、功率因數不高的情況。若增加TSC的分組數，把級差做小了，會增加設備投資。

表3 TSC可控硅控制方式下補償及動作情況

4.3 方案三：采用TSC+HVC組合方式

用成本低的HVC做固定補償，TSC做動態補償，利用HVC結構簡單、成本低和TSC能快速跟蹤負荷變化，可以頻繁投切電容器的特點，可以達到降低裝置成本，提高裝置使用壽命的目的。但仍然存在補償級差高，無功不能被連續補償、功率因數不高的缺點。

表4 TSC+HVC組合方式下補償及動作情況

4.4 方案四：采用SVG+HVC組合方式

SVG+HVC裝置充分利用SVG連續雙向補償和HVC成本低的特點，SVG的容量只占到18%，但全套裝置仍具有-750～4250kVar的連續無功調節功能，能夠自動連續補償無功功率，做到精確補償，而且設備投資費用下降，性價比提升。

表5 SVG+HVC組合方式下補償及動作情況

3.5 綜合對比及節電效果分析

四套無功補償方案的綜合對比如下：

表6 無功補償方案性能比較表

從上述對比可以看出，SVG+HVC組合方案響應時間快，補償范圍廣且能達到全程范圍內的連續補償，但設備投資最高；HVC補償效果最差，相應時間最長，對電網沖擊最大，但投資最少。我們對兩種技術的節能效果進行以下對比分析：

（1）應用HVC后，補償無功功率不連續，平均功率因數最高可達0.92；

（2）應用SVG+HVC后，補償無功功率隨負荷變化，連續平滑，不會出現無功欠補及過補的情況,瞬時功率因數即可達到0.95以上。

埕海110kV變電站最終設計為1.6萬kW的生產負荷，按0.7元/kWh計算，年電能費用9811萬元，應用SVG+HVC技術后，變電站功率因數至少能從0.92提高到0.95以上后，因功率因數提高，每年將降低電費至少44萬元，比HVC多出的投資2年便可收回。 此外，采用SVG技術后，系統維護費用將大大降低，系統運行可靠性也將大大提高，由此帶來的經濟效益也是很可觀的。

因此，采用SVG+HVC的方案不僅技術性能好，而且節能效果顯著，投資見效快，是四種方案中最好的。

5 結論及建議

通過上述分析，變電站無功補償采用SVG+HVC技術后，具有以下明顯優勢：

（1）通過一定的優化組合，SVG只站總補償容量的很少部分，即可實現補償的連續可調，使得系統功率因數穩定在設定值，節電效果好，投資回收期短。

（2）SVG作為無功補償的主運設備，HVC為輔助設備，不會出現欠補或過補的情況，同時可最大程度的降低電容器的投切頻率，降低諧振風險，有利于系統的安全可靠運行。

（3）SVG具有雙向連續可調特性，使得補償范圍加大，同時相應速度快，補償精度高，適用于負荷動態變化的場合，尤其適用于油田新區產能建設中負荷逐漸增加的情況。

綜上所述，變電站采用SVG+HVC動態無功綜合補償技術后，集成了SVG自動跟蹤、連續補償和HVC結構簡單、成本廉價的優點，性價比高，節電效果好，適合在油田變電站推廣應用。