自升式钻井平台电站无功补偿的讨论

陈 鑫

（海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451）

0 引言

海洋钻井平台（drilling platform）是一种大型的钻探油气资源的海上结构物。钻井平台上大多包括钻修井、配电、通信、仪表、导航等设备。海洋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、钻井浮船、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。

海上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，能满足海上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。由于钻井平台电力系统的不良影响由无功功率及高次谐波产生，使得功率因数较低，发电机不足以带动大负载运行，从而导致电力系统的配电能力降低，造成资源和能源的巨大浪费。

因此，要应用无功补偿技术，提高电网的功率因数，使电站的供电能力提高30%左右，不仅能够满足快速钻井作业的功率需求，同时每年还能节省燃油300 m3左右，完成扩容减耗的目标，延长电力机械设备年限，获得可观的经济效益及社会效益。本文以中国海洋石油921自升式钻井平台为例，就此问题进行探讨。

1 平台电站低功率因数技术分析

1.1 低功率因数分析

在921钻井平台电网中投入了大量泥浆泵、绞车、顶驱、转盘等大功率负载设备，每台设备的额定功率都是800 kW，而发电机组的总额定功率也只是6 000 kW。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

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。为了满足钻机平台生产需求，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3～5 Hz。

图2 电网畸变

并且当可控硅导通投入后，使电网电压中含有5、7、11、13等高次谐波成分[2]，其对应的谐波频率分别为300 Hz、420 Hz、660 Hz、780 Hz，从而降低了电力系统供电质量，高次谐波严重影响了平台内部电力系统设备的运行，其危害性表现如下：

（1）系统中并联的可控硅之间互相干扰。

（2）谐波电流会引起电网中同步发电机定子和转子部分的附加损耗及附加温升，造成发电机的额定出力降低。

（3）平台上的通信系统会受到很大的不良影响。因为非线性负荷供电系统产生的谐波对与其邻近的通信线路产生了静电感应及电磁感应。

（4）高次谐波比重大时，会使电力系统产生谐振，易导致严重后果。

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cos φ2＞cos φ1，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

2.2 补偿方式

电网无功补偿方式包括线路补偿和终端补偿。

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10 kV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。

在海洋石油921钻井平台上，最大电压也只是0.6 kV，并且在0.6 kV/0.4 kV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0.6 kV钻井设备上，因此，在海洋石油921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；50 Hz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921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）；cos φ1为补偿前的功率因数；cos φ2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4 800 kW，通过下列公式可计算：

计算结果Q=3 264 kvar。

3 结语

目前，中国海洋石油921钻井平台配备4台1 500 kW的河南柴油机公司TBD620V16型柴油机，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的海上、陆地钻井平台电站具有很大的推广价值。