低壓動態無功發生器在油田中的應用

武偉偉 王斌斌（河南恩耐基電氣有限公司）

油田配電網為多分支輻射式單向供電的接線方式，機采系統、注水系統及油氣集輸系統有大量異步電動機運行，負荷分散性大，配電網供電半徑大、分支多、配電變壓器數量多、負荷率低，運行時功率因數低，導致油田配電網網損大。為了保證抽油機有足夠的過載能力，其電動機裝機功率普遍比較大，載荷率只有30%左右[1]。根據當前的統計結果，油田配電網網損在10%～18%之間，能源浪費嚴重，因此，有效合理地對油田線路進行就地無功補償具有重要的經濟意義。

1 油田配電網無功補償分析

抽油機是油田配電網的主要負荷。抽油機在一個沖程內有功功率和無功功率變化頻率高，變化幅度大，功率因數一般在0.3～0.8 之間快速變換，平均功率因數在0.4 左右[2]。目前油田配電網采用分級電容器投切方式進行無功補償，存在一定弊端：負載功率變化范圍大，變化速度快，補償裝置投切器件頻繁投切，使用壽命短；油田作業區供電電壓波動大（一般在10%以上），超出自動裝置的設定范圍時失去補償作用，為了避免過補償和油井停機時電容器產生自勵磁過電壓，通常不能做到完全補償[2]；諧波的存在嚴重影響電容器的使用壽命；油田抽油機分布分散，無功功率在線路上的損耗很大，集中補償并不能解決無功造成的損耗問題。

低壓動態無功發生器（ESVG）是無功補償領域最新技術應用的代表。ESVG 并聯于電網中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以靈活控制，自動補償系統所需的無功功率[3]。鑒于油田電網的特性，ESVG 的實時動態就地補償能夠達到好的補償效果。

2 ESVG 系統設計

2.1 主回路設計

ESVG 采用可關斷電力電子器件IGBT 組成三相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，如圖1 所示。直接控制其交流側輸出電流幅值和相位，迅速吸收或發出無功功率，實現快速動態調節無功的目的。ESVG 可以迅速跟隨負載變化，動態連續補償無功，徹底杜絕了無功倒送的問題。作為有源型補償裝置，輸出無功電流不受母線電壓影響，不僅可以跟蹤補償沖擊型負載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進行跟蹤補償。

圖1 主回路結構

2.2 控制器設計

以TI 公司DSP TMS320F28335 為核心，DSP TMS320F28335 具有150 MHz 的高速處理能力，具備32 位浮點處理單元，6 個DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIF；有多達18 路的PWM 輸出，其中有6 路為TI 特有的更高精度的PWM 輸出(HRPWM)，12 位16 通道ADC。與前代DSC 相比，平均性能提升50%。片內內置34 k×16 位SRAM 和256 k×16位FLASH，可存放用戶程序，可進行FLASH 加密，方便工業應用，可縮短開發周期，降低開發成本。

2.3 軟件設計

以集成開發環境Code Composer Studio V3.3 為軟件設計平臺，進行了軟件的開發研究并進行了軟硬件調試。軟件系統主要包括系統初始化程序、主程序和中斷服務執行程序。其中，中斷服務程序包括定時器中斷、電壓同步鎖相中斷程序、SPWM 調制信號中斷服務程序。電壓同步鎖相中斷程序和SPWM 調制信號中斷服務程序是控制的關鍵。TMS320F28335 具有強大的控制功能，其內置硬件電路可以大大簡化PWM 波的生成過程，其控制流程如圖2 所示。

圖2 SPWM 中斷服務程序控制流程

2.4 控制方案

設此裝置產生的歸算到系統側的空載相電壓為V ，系統相電壓為V1，連接電抗為X ，則裝置輸出電流為

式中：jX 為阻抗，Ω。

輸出單相視在功率為

在正常狀態下，ESVG 裝置只吸收很少有功功率，它輸出的單相無功功率為

式中：Im為電流有效值，A。

圖3 ESVG 裝置工作狀態

圖4 ESVG 裝置工作狀態向量

當ESVG 產生的電壓小于系統電壓，即V ＜V1時，裝置吸收感性無功功率，此時它相當于電感，如圖3a 所示；當ESVG 裝置產生的電壓大于系統電壓，即V ＞V1時，ESVG 裝置發出感性無功功率，此時它相當于電容，如圖3b 所示。兩種狀態下電壓電流向量如圖4 所示，發出感性無功電流時電流滯后電壓90°，吸收感性電流時電流超前電壓相位90°。通過調節ESVG 裝置產生的電壓V 的幅值來快速調整輸出無功的大小和方向，滿足無功補償的需求。

3 試驗應用

為了驗證裝置運行效果，在中國石油天燃氣集團公司華油集團公司某采油區進行了試驗。

圖5 無ESVG 時系統電流電壓波形

圖6 安裝ESVG 后系統電流電壓波形

將ESVG 裝置接入系統。無ESVG 裝置系統拖動電動機時的電壓和電流波形如圖5 所示。由圖5可知，線電壓超前于響應的相電流30°，電流滯后線電壓約4 ms，即功率因數為0.74，電流峰峰值約為204 A，有效值約為72 A。圖6 為安裝ESVG 后系統線電壓和相電流波形，線電壓超前于相電流1.7 ms 左右，即30.6°，功率因數為0.99，效果理想，電流有效值約為46.7 A，有效值降低35%。

圖7 為ESVG 裝置的電壓和電流波形，可以看出電流超前線電壓波形3.4 ms 左右，即61.2°，轉化為相電壓則為相電壓超前相應的相電壓約90°，即發出純感性無功功率提供給負載，實時補償抽油機工作時所需的無功功率，降低電網與負載間的能量交換，提高油田電網質量。

圖7 ESVG 裝置電流和電壓波形

安裝前后使用FLUKE 測試儀器進行功率測量對比，結果顯示，無功功率在0～3 kvar 之間波動，有功功率在9～30 kW 之間，瞬時功率因數均在0.93以上，平均功率因數在0.98 以上，補償效果理想。

4 效益分析

以一條長10 km 的10 kV 油田輸送線路為例，按照線路100 kVA 配電變壓器40 臺，平均每臺負載率為60%計算。油田抽油機運行時平均功率因數在0.5左右，變壓器有功負載為P=100×0.6×0.5=30（kW）。補償后功率因數大于等于0.95，則無功補償量為

考慮降低網損效果，無功補償裝置在滿足負載無功功率需求的同時還對變壓器的自身無功功率進行補償。變壓器無功損耗按照1%計算[3]，則每臺變壓器無功補償量按照50 kvar 計算，功率因數從0.5升高到0.95，變壓器提供的有功功率不變，則變壓器視在功率為S =30/0.95=31.58 kVA。補償后電流與原電流的比例關系與視在功率比例基本相同，為21.58/60= 0.36。由于油田線路的復雜性，造成配電網網損的原因有線徑大小、功率因數、變壓器銅損、漏電損耗等，線路運行損耗與流經電流的平方成正比例關系，所以，無功補償降低的電流引起的線損與原線損的關系為1-0.36×0.36 =0.87，即降低線損87%。

5 結語

油田線路接線長并且交叉復雜，無功功率在線路上引起的有功損耗非常嚴重，此裝置在油田運行后基本解決了油田的無功功率補償問題，實現了油田的無功就地補償功能，大大降低了線路上的損耗，穩定了油田電網的末端電壓，提高了油田供電電網的穩定性。ESVG 裝置在油田的推廣使用將大大降低油田能耗，降低產油成本，而且可以延長線路和設備的使用壽命。

[1]馮成寶.油田抽油機現狀及節能方式綜述[J].內蒙古石油化工,2008,24:31-33.

[2]Lu Jiming,He Jinping,Mao Chengxiong,et al.Design and implementation of a dual PWM frequency converter used in beam pumping unit for energy saving[J].IEEE Industry Applications Society,2004(5):31-38.

[3]武偉偉,龍翔.低壓動態無功發生器ESVG 在農網應用研究[J].電能質量,2012(12).57-59.