天然气接收站的静止无功发生器设计及实现

张莉英¹  张云卫²  李丽丽³

（中国石化北海液化天然气有限责任公司，北海 536000）

摘要：目前，我国大部分西部地区电网仍采用固定并联电容补偿方式，这存在着投切不及时、无功补偿效果不好等问题，或者在使用过程中出现较高的过电压，导致供电设备出现故障等。静止无功发生器SVG作为新一代无功补偿器，是该技术发展的最新代表，将SVG产品应用在电网中，相当于一个可变的无功电流源。为实现无功功率的快速应激调节，有效改善功率因数，本文深入研究了SVG的工作原理和系统构成，针对LNG接收站的实际运行工况进行设计并针对SVG装置应用于接收站产生的效益进行分析。研究结果表明，对工程设计及无功补偿技术研究具有指导作用。

关键词：LNG接收站；SVG；功率因数；节能降耗

中图法分类号  A■■■；     文献标志码  A （或B）

Application of SVG in Reactive Power Compensation of Beihai LNG Receiving Station

ZHANG Li-ying¹,ZHANG Yun-wei^2*,Li Li-li ³

（Sinopec Beihai LNG Co., Ltd., Beihai 536000, China）

Abstract: At present, most of China's western regions still use fixed parallel capacitor compensation. There are problems such as untimely switching, poor reactive compensation, and high overvoltage during applying.It will causes power supply equipment to malfunction.

As a new generation of reactive power compensator, the static var generator SVG is the latest representative of the development of this technology. It applies SVG products in the power grid, which is equivalent to a variable reactive current source. In order to achieve rapid stress regulation of reactive power and improve power factor effectively. This paper does deeply research in the working principle and system composition of SVG, and designs the actual operating conditions for LNG receiving stations and analyzes the benefits of applying SVG devices to receiving stations. The research results show that it has a guiding role in engineering design and reactive power compensation technology research.

Key words: LNG receiving station    svg    power factor    energy saving

北海LNG接收站设计总用电负荷约为22000kW，但是由于下游管道限制，天然气外输系统无法投产，仅部分系统投产，包括槽车外运系统和BOG外输系统，所涉及的用电设备包括BOG压缩机、罐内泵、螺杆压缩机、往复式增压机等，实际用电负荷仅为3000KW，高压输电线路长期处于轻载运行，功率远小于自然功率，此时线路充电功率大于线路消耗无功，导致供电侧反向无功电能量大于有功电能量，造成供电侧功率因数呈容性，并且很低，约为0.65。大量无功使系统功率因数较低，浪费大量能源；使供电母线的电压产生波动，降低了机电设备的运行效率，供电母线电压产生波动时，将使用户的异步电动机负荷转矩随之变化，输入负荷的有功功率下降，影响生产和设备的出力；无功冲击引起母线电压波动剧烈，严重时影响自动化装置的正常工作^[1]。解决这些问题的一个有效措施就是在用电负荷端加装无功补偿装置^[2-4]。

早期的无功补偿装置主要为同步调相机，它作为一种经济实惠的无功补偿方式而得到了广泛的应用。电容器容量固定不可以连续调节，调节负荷的特性变差，当电网的电压降低时，其输出无功功率随之减小。此外并联电容器组能够放大电网中的高次谐波，被放大后可能造成电流过大而引发电容器中的油爆炸，现在很少使用^[5-6]。静止无功补偿技术经历了3代，第1代为饱和电抗器(SR)，与同步调相机相比，具有静止型的优点，但是由于其铁心需磁化到饱和状态，损耗和噪声较大，而且调整时间长，响应速度慢^[7]。第2代为晶闸管控制的静止无功补偿器(SVC) ^[8]，其能实现分相控制有较好的抑制不对称负荷的能力但设备运行中会产生谐波，占地面积较大，运行损耗较大。目前应用电力系统中常用的是第3代——基于电压源换流器的静止同步补偿器即SVG(static var generator, SVG)型动态无功补偿装置。与SVC相比，调节速度更快，运行范围更宽，而且在采取多重化、多电平和PWM技术后可大大减少补偿电流中谐波的含量^[9-11]，由于采用较少电抗器和电容元件，占地面积较小。因此，针对北海LNG接收站开展无功补偿、提高功率因数，进行节能降耗具有较大潜力。

1 SVG无功补偿装置

SVG即高压静止无功发生器，专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG 是迄今为止性能最优越的静止无功补偿设备^[12]。

1.1 基本原理

静止无功发生器基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功动态补偿的目的。原理示意如图1.1所示，其中直流侧为储能电容，为装置提供直流电压支撑，装置输出的交流电压的大小、频率和相位可以通过控制逆变桥中可关断器件的驱动脉冲进行控制^[13]。

图1.1 原理示意图

Figure 1.1  Schematic diagram

SVG 的工作原理可以用下图所示的单相等效电路图与电流超前和滞后工作的相量图来说明：

a)单相等效电路         b）相量图

a) single phase equivalent circuit                   b) phasor diagram

图 1.2  SVG 等效电路及工作原理（未计及损耗）

Figure 1.2 SVG equivalent circuit and working principle (without accounting for loss)

连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗（如管压降、线路电阻等），并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则 SVG 的实际等效电路图与其电流超前和滞后工作的相量图如下图所示。

a) 单相等效电路                b)向量图

a) single phase equivalent circuit   b) vector diagram

图 1.3 SVG 等效电路及工作原理（计及损耗）

Figure 1.3 SVG equivalent circuit and working principle (taking losses)

1.2运行模式

表1.1  SVG 的运行模式及其补偿特性说明

Table 1.1 Description of SVG operation mode and its compensation characteristics

2 北海LNG接收站无功补偿装置设计

2.1 拓扑结构

图2.1为静止无功发生器主电路拓扑结构图，装置由启动柜、功率柜、控制柜组成，连接至电网母线。静止无功发生器主要采用相内功率模块串联技术实现高压输出。

图2.1 静止无功发生器主电路拓扑结构

Figure 2.1  Main circuit topology of static var generator

2.2 SVG装置组成

SVG装置内部由启动装置（电抗器、启动电阻、断路器、电流互感器、防雷器和隔离开关）、集装箱（功率柜、控制柜）组成。

2.2.1启动装置

启动装置主要包含电抗器、启动电阻、断路器、电流互感器、防雷器和隔离开关。

SVG装置的启动方式设计为自励启动。在主开关合闸后，系统电压通过充电电阻对功率模块单元的直流电容进行充电，当充电电压达到额定值的80%后，控制系统闭合启动开关，将充电电阻旁路。

图2.2为该SVG装置的启停逻辑。KM1为软起接触器，KM2为主接触器，QS1为35kV断路器，KM3为隔离开关，KM4为接地开关。

图2.2 静止无功发生器启停逻辑图

Figure 2.2  Static and reactive power generator start and stop logic diagram

2.2.2 功率柜

功率柜主要由功率模块单元组成，含三相功率模块，每相7个，功率模块单元采用H桥拓扑结构,主要由子模块控制板、IGBT模块、金属膜电容、吸收电容、散热器等组成。

子模块控制板接受主控单元的控制信号，经过解码生成触发脉冲，控制IGBT的开通与关断，同时具备直流侧电压检测、故障检测、通讯功能等，大部分功能采用进口FPGA芯片完成，智能化设计使得功能修改及升级方便，而且可靠性高，受功率器件的干扰小。

金属膜电容为功率模块单元直流侧提供直流电压支撑，具备低等效电阻，高纹波电流耐受能力，高温特性好，使用寿命长等特点。为抑制功率器件导通关断时的尖峰电压，IGBT两端并联吸收电容，确保IGBT的安全运行。

散热器采用铝挤工艺，使用定制模具一次成型，确保散热器性能的一致性，保证IGBT散热和工作可靠性。

2.2.3控制柜

控制柜由触摸屏、控制机箱、控制开关、继电器等元件组成，实现监控系统状态、与远程后台进行通讯等功能。

控制机箱柜式结构，表面采用静电喷塑工艺处理。柜体选用优质“三防”产品，抗强电磁干扰能力强。其它控制系统中的附件，如各类集成电路等都采用国外的知名公司产品。

主控制单元主要完成外部数据采集和上层逻辑控制运算功能，该部分的结构拟采用标准6U、19英寸机箱，基于背板连接的机箱后部插卡式安装方式。

整个控制硬件结构框图示意图如图2.3所示。

图2.3 控制硬件结构框图

Figure 2.3  Control hardware block diagram

从功能上分，主控板主要分为2个部分：

1个DSP （TMS320 DM642）负责SVG的逻辑、算法（包括无功补偿、谐波抑制、不平衡控制等）、保护等功能，接受上位机指令、控制参数，并对FPGA下达参数。

1个FPGA（EP4CE40F23I7N）负责模入信号处理、开入开出处理、处理逻辑与通信功能，生成12路移相载波信号，并将DSP下发的36路调制波信号与12路载波信号进行比较生成36路脉冲并进行编码，最终通过光纤板下发到SCE板中。

3北海LNG接收站无功补偿效益分析

SVG装置在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗、提高供电效率、改善供电质量，所以无功功率补偿装置在该北海LNG接收站中处在一个不可或缺的非常重要的位置。该SVG工程成功投运后，节能降耗效益明显。

主要从四个方面加以说明。

（1）提高线路的功率因数^[14]

由于补偿装置提供了负荷所需要的大部分无功功率，使负荷不再从电源处吸收更多无功，这样可提高负载线路的功率因数。

北海LNG接收站高压输电线路长期处于轻载运行，功率远小于自然功率，此时线路充电功率大于线路消耗无功，导致供电侧反向无功电能量大于有功电能量，造成供电侧功率因数呈容性，并且很低，约为0.65，低于功率因数调整电费考核标准0.90。经改造之后，功率因数均在0.9~0.99范围内，达到节点监察要求。

图3.1接收站的功率因数前后对比

Figure 3.1 Comparison of power factor before and after the receiving station

（2）减少线路损耗

在某一额定电压下，有功功率恒定不变，由于功率因数变化，其线路损耗发生变化。无功功率在网络中传输将会产生很大的功率损耗。一般来讲，线路损耗约占12%，若采用无功补偿设备，无功线损可大大降低，因此进行无功功率补偿是节能降耗的重要手段。

   （1）                          

式(1)中，表示改造前的无功功率因数；表示改造后的无功功率因数；表示线路无功功率的损耗率。

改造前北海LNG接收站功率因数约为0.65，调整后稳定在0.9及以上，代入上式则相应的约在47.84%~56.89%之间。

（3）改善供电电压质量，减少线路电压损失

输电线路电压损耗由两部分组成，即有功功率在电阻上的压降和无功功率在电抗上的压降。一般说来，在电网的线路、变压器的等值电路中，电抗的数值比电阻大得多。所以无功功率对电压损耗的影响很大，而有功功率对电压损耗的影响则要小得多。因此，在电力系统中，无功功率是造成电压损耗的主要因素。电网中无功补偿设备的合理配置，与电网的供电电压质量关系十分密切。合理安装补偿设备可以改善电压质量。

（4）提高设备利用率

安装无功补偿设备，可使发电机多发有功功率。系统采取无功补偿后，使无功负荷降低，发电机就可少发无功，多发有功，充分达到铭牌出力。

（5）减少用户电费支出

安装SVG装置后，北海接收站的功率因数达到0.9以上，每月可节省约110000元电费，另外2017年电费政策有所调整，导致基本电费增加，力调电费会增加至约200000元。

4 结束语

以北海LNG接收站无功补偿技术为研究对象，深入研究SVG的补偿原理、系统构成，并对北海LNG接收站无功补偿装置的各个组成部分进行详尽介绍。经北海LNG接收站示范工程的实践，为SVG技术在我国工程化应用奠定了重要的基础，该技术的进一步推广应用将为我国节能降耗，建立节约型社会提供重要的技术支撑手段。

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