中海油田服务股份有限公司油田生产事业部钻修井作业公司天津300459
摘要：以某钻井平台电站为例，介绍了无功功率及高次谐波对钻井平台电网的影响，提出了用无功补偿设备来满足平台上的无功消耗，论述了应用补偿技术解决问题的方案及其效果，解决了无功消耗过大及电网出现高次谐波的问题，产生了良好的经济效益和社会效益。
关键词：钻井平台；电站；功率因数；无功功率补偿；
引言
某钻井平台是一种大型的钻探油气资源的某结构物。钻井平台上大多包括钻修井、配电、通信、仪表、导航等设备。钻井平台主要有移动式和固定式两种结构，其中，移动式钻井平台又包括自升式、坐底式、半潜式等等。本文讲述的就是一种200尺自升式钻井平台。
某石油自升式钻井平台电网是一个独立的系统，它由自己的发电系统、电站控制系统、配电中心及所控制的负载系统组成，能满足某石油钻井工况下的负荷用电需要及在特殊工况下的用电需求，自成一体。在一般情况下，约80%的发电机功率经可控硅整流后驱动直流电动机，完成钻井作业。
1平台电站低功率因数技术分析
1.1低功率因数分析
在钻井平台电网中投入了大量的泥浆泵、绞车、顶驱、转盘等大功率负载设备，每台设备的额定功率均是800kW，而发电机组的总额定功率也只是6000kW。此类大功率用电负荷运行时，需要电站提供感性的无功功率，它们使电流滞后于电压，使有功电流远小于总电流，因此使得电网的功率因数偏低[1]。由于平台发电机输出总电流，即有功电流与无功电流的矢量和（图1），总有功功率=总视在功率×功率因数。因此，在总功率一定的情况下，功率因数低，总有功功率就低。
图1负载电流向量分解图
Ps：IP—有功电流分量；IQ—无功电流分量；φl—补偿前功率因数角；IL—负载电流；
1.2高次谐波分析
在给可控硅整流系统供电的同时，也把高次谐波带到了电网系统中。之所以可控硅整流系统能给电网带来高次谐波，是因为整流装置为非线性负荷。理想正弦系统电压给这些非线性负荷供电时，工作电流也为非正弦电流。非正弦电流波形能分解为基波及谐波。谐波电流通过电力系统中各供配电设备，必将造成非正弦的电压降，使平台电压发生畸变。反过来，畸变电压又影响了整流装置输入电流波形。因此，谐波电流和谐波电压相互影响、相伴而生。
1.3危害性分析
负载功率因数偏低（0.6～0.75），无功电流是电站额定电流的30%～35%，限制有功功率，不能发挥发电机正常的供电能力。为了满足钻井平台的作业需求，需投入更多的发电机组。同时，当可控硅大负荷投入运行时，使电网波形发生畸变，对平台电网造成不良影响。可控硅导通时，突加电流，发电机不能及时提供足够的突加电流，电网电压瞬间变低，电压波形呈锯齿正弦波，如图2所示。频率随之发生波动，所以钻井平台启动泥浆泵时，频率波动3～5Hz。
图2电网畸变
2电站无功补偿
2.1补偿原理
电网中的感性负载使电流滞后于电压，但电容器具有与电感相反的特性，它能够使电流超前电压变化，因此，通过在感性电路中增加容性补偿装置就可以使较低的功率因数得以补偿，由图3可知，φ1减小到φ2，则cosφ2＞cosφ1，功率因数提高了。通过负载与容性补偿设备间的无功交换，减小系统无功电流。在电流限值不变的情况下，能够提高电站配电能力。
图3采用补偿装置后的电路与电流向量图
Ps：IP—有功电流分量；IQ—无功电流分量；IC—补偿电容电流；IL—补偿前负载电流；IL′—补偿后负载电流；φ1—补偿前功率因数角；φ2—补偿后功率因数角；
2.2补偿方式
2.2.1线路补偿
线路补偿是在母线线路上安装并联电容器，使得电网功率因数提高，实现降损升压的目的。这种补偿主要应用场所为10kV电网，而在低压配电电网中应用较少。该补偿方式具有初期投资成本低、回收周期短、补偿效果好、易于管理和维护等优点，对于功率因数较低、负荷较重的远距离输配电线路特别适用。
2.2.2终端补偿
终端补偿即就地补偿，通过在低压配电线路末端直接配置无功功率设备，减小低压电网的无功功率，降低线损和线路电压降。终端补偿方式的优点：线损率可降低至20%；电压损耗降低，使得电压质量得以提高，改善负载设备启动和运行状况，提高线路配电能力。在石油钻井平台上，最大电压也只是0.6kV，并且在0.6kV/0.4kV主变压器以下的电网的功率因数是0.8，主要无功负载都在0.6kV钻井设备上，因此，在石油钻井平台应选用终端补偿较为合理。落实补偿位置是进行无功补偿的第一环节，是平衡无功的重要环节。在钻井平台上，无功负载主要在直流传动系统上，所以，补偿位置就选择在直流传动系统两端。由于线路末端负荷波动幅度大，启动负荷数量不确定，因此需要根据实际情况来确定一种补偿方式。
目前使用频率较高的补偿方式是前馈补偿方式，通过可控硅、交流变压器等实现对用电设备电流的检测，通过电流叠加电路进行电流计算，计算值输入解调电路，解调电路输出负载无功电流值到控制模块。控制模块实现对补偿装置投切时间及投入量的控制，使电容投切时间为交流正弦波的零幅值位，避免高电流对补偿装置的寿命产生影响。避免谐波谐振对电容器产生影响。在电容器接通回路中串入感性电抗器，可以抑制谐振，且可吸收高次谐波电流。通过电抗器、电容器串联，能避免谐振现象。自振频率是在最低谐波频率和基波频率之间，而高于自振频率的谐波表现为感性，能避免谐振；50Hz的基波频率呈容性，因而可以获得无功功率补偿。
串联电抗器可抑制合闸瞬时涌流，能抑制、吸收谐波电流，具有滤波功能，有效提高电网安全性。但是，串抗与电容器不可任意组合，需考虑电容装置接入处电网的实际情况，根据自升式钻井平台的现实情况，谐波主要以5次为主，建议选择4.5%的串联电抗器。
2.2.3补偿装置参数计算
由原来的功率因数补偿到所需的功率因数，需要并联的电容器容量可用下式计算：
式中，Q为应补偿的无功功率（kvar）；P为最大负荷的平均有功功率（kW）；cosφ1为补偿前的功率因数；cosφ2为补偿后的功率因数。在实际应用中，可根据事先计算好的表格查出所需补偿的无功容量。通过补偿，发电机输出电流有效下降，功率因数由0.65优化到0.9以上，滤除5次以上的高次谐波，电压波动小，幅值平稳，电网质量得以提升。根据921钻井平台的实际数据，计算最大应补偿的无功功率。直流传动的最大功率可达到4800kW，通过下列公式可计算：
计算结果Q=3264kvar。
结束语：
目前，钻井平台配备的柴油机，在运行周期内，不可避免地会出现柴油机老化、输出能力降低的问题，如果通过增加发电机解决钻井最大工况下的峰值负荷缺口，是很不经济的，通过引入无功补偿设备，可将发电机的功率因数提高0.2～0.3，发电机的输出能力提高25%～30%，同时可以减少柴油机积碳，保持电网稳定，提高用电设备寿命，特别是对功率因数低于0.8的某陆地钻井平台电站具有很大的推广价值。
参考文献：
[1]许广智.实时无功补偿问题的探讨及其解决方案[J].一重技术，2007（2）：68-70.
[2]王永民，代勤芳，景有泉.谐波抑制与无功补偿装置控制技术的进展[J].电源世界，2006（3）：23-26.