董子华
中国石油集团电能有限公司电力研究设计院 163000
摘 要：无功补偿是一个重要课题，影响变电所的电能质量。当前油田变电所存在许多问题，包括无功功率和谐波污染的增加。静止无功发生器（Static Var Generator）具有良好的无功补偿和谐波抑制功能，能有效改善油田变电所电能质量。本文对静态无功发生器（简称SVG）进行研究，设计采用SVG改善油田变电所电能质量的方案。
关键词：无功补偿；电能质量；静止无功发生器；谐波抑制
1 引言
当前石油公司正走在节能降耗的道路上，提倡更高效更稳定的生产方式。对于长期为油田供电的公司而言降低能耗非常重要，功率因数和谐波含量是评估电能质量的重要指标。目前无功功率和谐波污染问题普遍存在于石油生产中，尤其是大庆、胜利、吉林和辽河等油田。虽然无功补偿技术已经发展了很多年，但是迄今未止科研人员很少对变电站内部的电气设备进行专门研究。
本文通过几种无功补偿设备的对比，归纳出SVG优点，针对大庆油田某220kV变电所进行分析，利用SVG设计无功补偿方案，解决油田变电所的电能质量不良的问题。
2 油田变电所电能质量的主要问题
当前与油田电网的电能质量有关的主要问题是：
2.1 无功功率问题
目前大庆油田变电所受到无功功率问题的困扰，这是因为油田大部分变电所中依然采用落后的电容器投切，各种各样的电气设备耗电量不低于油田总用电量的90%，大多数电气设备无功功率较大。各采油厂电气设备的功率因数普遍不高于0.7，石油生产一线单位的无功功率问题必然会给变电所的电能质量造成不利影响。
2.2谐波污染问题
在油田变电所的线路中谐波很常见，尤其是高次谐波，谐波源是各式变频设备以及气体放电，各类变频设备在石油天然气的提取和加工当中都有大量的使用。气体放电也是一个重要原因，发电厂和炼油厂都存在气体放电。谐波有许多不利影响，谐波污染必然增加发电、输配电的容量冗余和终端设备过热，进而引发能源浪费和安全隐患，加速电气设备本身的老化过程。
3 静止无功发生器工作原理与优点
3.1 静止无功发生器工作原理
静止无功发生器工作原理是凭借IGBT（绝缘栅双极晶体管）改变电路输出电压的幅值和相位调节电路无功功率[1]。SVG能减小变电所线路网损，大幅度减小线路无功电流，下图显示它等同于是一个逆变器，每个IGBT电力电子控制装置均与反馈二极管并联连接。IGBT可以根据设备的信号在电路中实现特定的目标。只要SVG安装在电力系统中，就能大幅度加强原有线路系统带负荷能力。
3.2 静止无功发生器与其它设备相比的优点
到目前为止，电力系统中已经出现了静态无功补偿器，FC装置，SVC装置和SVG装置，SVG优越性可以从下面的比较中看出。
FC装置就是传统的机械开关设备，无法满足电网日益增长的需求，往往会产生有害的谐波。固定补偿类似于变压器端子分段调节旋钮，容易导致过度补偿或补偿不足，正逐渐从电力系统中淘汰。
SVC即静止无功补偿器，其主要类型是硅控制反应堆（TCR）、电磁阀反应堆（MCR）和可控硅开关电容器（TSC）[2]。MCR需要通过铁芯来改变等效电抗， TCR通过斩波控制调节电抗，TSC是通过控制晶闸管改变主电路电流并调整等效电容。SVC响应速度不如SVG，还具有体积过大的缺点。
SVG与其它装置相比性能更好，拥有最佳的协调效果，其功耗约为前两种设备的25％。SVC和电容器都无法消除高次谐波，而SVG发出的补偿电流中几乎不含有谐波成分[3]。SVG占地空间极小，，SVG硬件的使用寿命通常超过十年，所无需要任何特殊维护，不需要额外的投资就能够实现扩容。总之SVG有着功耗低、谐波污染少、占地空间小、使用寿命长等优点。假如SVG大规模安装进油田变电所当中，油田变电所线路的功率因数必然显著提高。
3 静止无功发生器构成
静止无功发生器硬件主要由构成功率柜、充电柜和控制柜组成。
3.1功率柜
功率柜组成部分包括IGBT模块、功率单元板、型材散热器等，大多数功率柜通常是核心为IGBT的的链式换流器，所以功率柜又被称作换流链。功率单元主要负责接收控制信号和控制IGBT通断，拥有无功补偿、检测故障与保护等多种功能。薄膜电容能保持电压稳定不变，型材散热器确保工作中产生的热量能及时散发。
3.2充电柜
充电柜作用是为装置充电并抑制谐波，组成部分包括电抗器、接触器、充点电阻等，充电柜开始启动时就可以对补偿电容充电。SVG必须连接电抗器，这样等同于SVG通过连接电抗器接入油田电网，组装方式为采用单相空心串联。
3.3控制柜
控制柜相当于SVG的大脑，包括采样单元和主控单元。采样单元负责采样系统数据，主要是检测线路中的无功电流，主控单元则负责控制SVG 运行并执行保护功能。
SVG控制柜采样单元检测无功电流最常用的方法是dq0法。油田变电所母线非常容易出现高次谐波，dq0法能精确提取无功电流，强化SVG抗干扰性能，有非常良好的跟踪性能。
SVG控制柜主控单元最常用的控制方法是空间矢量法，全称是空间矢量脉冲宽度调制法（SVPWM）。空间矢量法利用坐标变换选择开关组合的形式保证SVG可靠性。
4 静止无功发生器工程应用及实际效果分析
4.1 SVG工程应用
本次研究选择大庆油田电网中某220kV变电所的35kV线路为工程实例进行试验。变电所现有220kV主变压器，容量为100MVA，35kV母线原功率因数为 0.94 ,调整后目标功率因数为0.984，经计算可得需要补偿的容量QPF=P×(tan cos-1Ψ1-tan cos-1Ψ2)=15995kVar，选取补偿容量为16MVar，因此需要在35kV母线侧安装额定容量为±16MVar的SVG，其额定频率为50Hz，接线方式为三相星形连接。
4.2 SVG实际效果分析
为了彻底了解线路中电能质量的实际状况，研究者需要使用电能质量测试仪、谐波分析仪等仪器采集在线路进线端多次测量，这样才能有力保障测试数据的可信度与真实性。
经测试可发现SVG安装前35kV线路功率因数为0.94，安装后功率因数升至0.989，满足电力部门对于功率因数的要求。根据电力部门规定，35kV线路5次谐波电流允许值为13A，7次谐波电流允许值为9.4A，安装前测得5次谐波电流值为20.1A，7次谐波电流值为11.91 A，均超过允许值。安装后测得5次谐波电流值为10.05A，7次谐波电流值为5.94A，满足电力部门对于谐波抑制的要求。经对比可以看出SVG能满足油田变电所改善电能质量的需求。
5 总结
本文指出油田变电所中电能质量存在的主要问题，介绍静止无功发生器的基本原理和优点，研究了SVG基本结构，又将其应用到油田变电所中，通过数据证明SVG能有效改善变电所电能质量的重要结论，从无功补偿和谐波抑制的角度验证了SVG的优越性。
参考文献
[1] 陈鹏飞.SVG动态无功补偿及谐波治理研究[J].通信电源技术,2010,30(21):93-95.
[2] 柴金宝.静止无功发生器的设计[J].电网技术,2006,30(18):12-15.
[3] 戴卫力,费峻涛.电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京:机械工业出版社,2015:56-57.