辛衛(wèi)東　孫國(guó)歧　梁慧媛　王志翔　周　琪（. 國(guó)網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南　50000；. 山東德佑電氣股份有限公司，淄博　55000）

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基于10kV配網(wǎng)節(jié)能降損與提高電能質(zhì)量的STATCOM裝置的研究與應(yīng)用

辛衛(wèi)東1孫國(guó)歧2梁慧媛1王志翔1周琪1
（1. 國(guó)網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟(jì)南250000；2. 山東德佑電氣股份有限公司，淄博255000）

摘要10kV線路損耗占電網(wǎng)總線損的80%以上，因此改善10kV配網(wǎng)的節(jié)能降耗十分緊迫。本文研究了基于10kV配網(wǎng)節(jié)能降損與提高電能質(zhì)量的STATCOM裝置，該裝置采用基于H橋級(jí)聯(lián)多電平電路框架，能夠快速跟蹤補(bǔ)償無功缺額，濾除諧波電流。STATCOM裝置投入使用后，諧波治理和無功補(bǔ)償效果明顯，配電變壓器的溫升明顯降低。

關(guān)鍵詞：STATCOM；H橋級(jí)聯(lián)；無功缺額

配網(wǎng)作為電網(wǎng)中功率消耗的主要部分，如何提高配網(wǎng)的節(jié)能降耗，對(duì)于供電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高具有非常重要的作用，同時(shí)對(duì)于降耗、減少CO2排放也具有舉足輕重的作用。10kV線路作為連接用戶與電網(wǎng)的重要紐帶，其長(zhǎng)度在電網(wǎng)中占到60%以上，其損耗占電網(wǎng)總線損的80%以上，因此改善10kV配網(wǎng)的節(jié)能降耗十分緊迫。

1　治理方案

1.1基本要求

針對(duì)10kV配網(wǎng)的負(fù)荷特性，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：①對(duì)負(fù)荷無功功率的變化能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行跟蹤；②將負(fù)荷諧波電流對(duì)補(bǔ)償設(shè)備的影響降至最低，杜絕諧波放大與系統(tǒng)共振；③能夠?yàn)V除電網(wǎng)中的主要諧波電流，將諧波危害和諧波無功功率降至最小，從而減少設(shè)備損耗和發(fā)熱危害。

1.2方案選取

采用基于H橋級(jí)聯(lián)多電平電路架構(gòu)的智能擴(kuò)展式STATCOM和固定投切電容的TSC組合治理方案，能夠快速跟蹤補(bǔ)償無功缺額，濾除諧波電流。單純的TSC產(chǎn)品存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、補(bǔ)償步長(zhǎng)大的問題，而單純的STATCOM產(chǎn)品又存在成本過高的問題。因此這種新型裝置不僅具備TSC產(chǎn)品的高性價(jià)比優(yōu)點(diǎn)，還具備STATCOM產(chǎn)品柔性補(bǔ)償，可以輸出容性及感性電流，響應(yīng)速度快，不會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)，無諧波污染，對(duì)沖擊性負(fù)荷引起的電壓閃變也有很好的抑制效果。

1.3STATCOM裝置的基本工作原理

STATCOM通過外部CT實(shí)時(shí)采集電流信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路，再送給FPGA控制器，提取出所有的諧波或無功電流，將其反相后與逆變器實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流相比較得到差值信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制后輸出到驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)IGBT變換器將補(bǔ)電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波濾除的功能，如圖1所示。

圖1　STATCOM基本工作原理圖

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。采用H橋級(jí)聯(lián)多電平電路架構(gòu)，直接接入10kV電網(wǎng)。采用N＋1冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)H橋鏈節(jié)損壞后，通過旁路電路切除故障模塊并啟用第N＋1備用功率模塊，裝置仍可繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，因此裝置運(yùn)行可靠性極高。

2　案例分析

2.1工程概況

110kV萌水變電站一次系統(tǒng)接線圖，如圖3所示。10kV萌水變電站一共有兩臺(tái)變壓器分別為甲變和乙變，兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)斷路器斷開，兩臺(tái)變壓器分別帶不同的負(fù)荷，彼此之間無影響。

2.2測(cè)試數(shù)據(jù)

我公司于2015年3月10日上午11時(shí)對(duì)萌水站110kV乙變10kV出線側(cè)進(jìn)行了測(cè)試，此時(shí)容量為6000kvar手動(dòng)投切式電容器運(yùn)行。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示。

1）諧波分析

從3月10日11∶50時(shí)開始，做24h周期測(cè)量，容量6000kvar的無功補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行諧波電流頻譜如圖4所示，諧波電流從夜間的23∶20到次日凌晨的7∶00左右諧波含量比較高，平均絕對(duì)值達(dá)到850A左右，最大值可達(dá)到1500A。夜間的諧波含量比較高。

2）無功功率需求量

從3月10日11∶50時(shí)開始，做24h周期測(cè)量，容量6000kvar的無功補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行，無功需量最大值是4.5394Mvar平均需量值為3.0678Mvar，負(fù)載因數(shù)為67.6%。

圖2　STATCOM電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3　110kV萌水變電站一次系統(tǒng)接線圖

圖4　10kV出線側(cè)諧波電流頻譜圖

圖5　10kV出線側(cè)無功功率需求量圖

根據(jù)圖5分析可得當(dāng)負(fù)荷小時(shí)，電容器無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率多于系統(tǒng)所需無功功率如18∶00—22∶00，此時(shí)產(chǎn)生無功倒送的問題，平均倒送功率4.5Mvar；當(dāng)負(fù)荷大時(shí)，電容器無功補(bǔ)償設(shè)備提供的無功功率小于系統(tǒng)所需無功功率如23∶00至次日6∶00，此時(shí)無功缺額平均為3Mvar。

2.3技術(shù)方案

由以上的負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得萌水變電站乙變所帶負(fù)荷一天內(nèi)的負(fù)荷波動(dòng)很大，所需無功功率變化也很大。當(dāng)負(fù)荷低時(shí)電容器組出現(xiàn)無功功率過補(bǔ)償?shù)那闆r，發(fā)生無功倒送；如果切除電容器組當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)又會(huì)導(dǎo)致無功缺額過大對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此單靠固定投入的電容器組不能滿足負(fù)荷變化所需無功功率的要求，同時(shí)負(fù)荷高時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流也超出標(biāo)準(zhǔn)值。

因此要解決此變電站的問題應(yīng)采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，設(shè)備能夠根據(jù)電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)變化的無功需量實(shí)現(xiàn)快速的補(bǔ)償。它可以對(duì)任何負(fù)載情況進(jìn)行實(shí)時(shí)快速跟蹤補(bǔ)償，并且該設(shè)備維持系統(tǒng)電網(wǎng)電壓平穩(wěn)，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，并且具有諧波濾除功能。

靜止同步補(bǔ)償器STATCOM裝置目前是無功補(bǔ)償領(lǐng)域最領(lǐng)先的技術(shù)。靜止同步補(bǔ)償器STATCOM裝置與電網(wǎng)中的設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，與可變的無功電流源功能類似，通過改變STATCOM交流側(cè)電壓的幅值和相位，或者改變交流側(cè)電流的幅值和相位，發(fā)出或者吸收所需要的無功功率，達(dá)到快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功的目的。

當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，電容器補(bǔ)償無功過剩時(shí)，靜止同步補(bǔ)償器STATACOM裝置可以吸收多余無功功率，當(dāng)負(fù)荷變大時(shí)，電容器補(bǔ)償無功不足時(shí)，靜止同步補(bǔ)償器STATACOM裝置可以發(fā)出無功功率提高功率因數(shù)。

同時(shí)STATCOM能夠補(bǔ)償?shù)痛沃C波，消除諧波電流。因此根據(jù)變電站的負(fù)荷特性及靜止同步補(bǔ)償器STATCOM裝置的功能特性，建議該變電站已變拆除1組3Mvar的固定投切電容器組，安裝一套5Mvar的靜止同步補(bǔ)償器STATCOM裝置。

3　應(yīng)用效果

STATCOM裝置投入使用后，效果明顯，功率因數(shù)提高到0.98以上、諧波達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求、配電變壓器的溫升明顯降低。

3.1諧波治理效果

設(shè)備投運(yùn)后電網(wǎng)諧波電流減少，5次諧波電流值由21.9A降至1.1A、7次諧波電流值由10.1A降至0.6A、11次諧波電流值由5.3A降至2.3A、13次諧波電流值由5.5A降至0.2A，總的電流畸變率由10.1%降至3.28%。

3.2無功補(bǔ)償效果

基于10kV配網(wǎng)節(jié)能降損與提高電能質(zhì)量的STATCOM裝置投入后，萌水變電站10kV系統(tǒng)的功率因數(shù)由0.57提高到了0.98，節(jié)能效果非常明顯。

4　結(jié)論

基于10kV配網(wǎng)節(jié)能降損與提高電能質(zhì)量的STATCOM裝置采用基于H橋級(jí)聯(lián)多電平電路框架，能夠快速跟蹤補(bǔ)償無功缺額，濾除諧波電流。

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辛衛(wèi)東（1969-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)節(jié)能。

作者簡(jiǎn)介