夏稀淵 張建華 馮林魁

（國網(wǎng)甘肅電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050）

基于IGBT技術(shù)解決西北配電網(wǎng)電能質(zhì)量的應(yīng)用研究

夏稀淵 張建華 馮林魁

（國網(wǎng)甘肅電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730050）

配電網(wǎng)由于受供電半徑、晝夜負荷變化、季節(jié)負荷變化、負荷分布不均等因素的影響，線路電壓易出現(xiàn)較大的波動，直接影響設(shè)備用電安全。本文通過對西北配電網(wǎng)電能質(zhì)量設(shè)備現(xiàn)狀進行分析，分析基于IGBT技術(shù)開發(fā)的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）的原理及特點，研究采用綜合優(yōu)化裝置（MEC）解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量的可行方法。為電能質(zhì)量治理技術(shù)提供借鑒。

配電網(wǎng) 電能質(zhì)量 電容器 綜合優(yōu)化 無功補償

1 概述

西北地區(qū)面積廣闊，用電不集中，大量新能源并網(wǎng)，存在著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理、供電半徑大、饋線線路長、導(dǎo)線截面細、無功補償能力不足等問題。同時由于配電配網(wǎng)使用大量的農(nóng)業(yè)機械，農(nóng)業(yè)機械幾乎都是感性負載，負載無功比例大，導(dǎo)致農(nóng)網(wǎng)無功污染嚴重，可靠性受到極大的影響。西北電網(wǎng)負荷變化明顯，全年不同時間段和不同季節(jié)，其電能質(zhì)量呈現(xiàn)不同的特性，導(dǎo)致配電網(wǎng)的無功需求量經(jīng)常波動，并且波動范圍大。由于以上原因，西北電網(wǎng)呈現(xiàn)以下顯著特征：一是電網(wǎng)建設(shè)基礎(chǔ)薄弱，偏遠地區(qū)農(nóng)網(wǎng)配置低，末端電壓隨著季節(jié)出現(xiàn)階段性偏高或偏低現(xiàn)象；二是電網(wǎng)老化快、電能質(zhì)量差、供電不穩(wěn)，三相不平衡現(xiàn)象嚴重；三是配電網(wǎng)線損大，故障多，輸電成本高。因此，保證配電電網(wǎng)電壓質(zhì)量成為需要解決的首要問題。

2 西北地區(qū)配網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)化設(shè)備現(xiàn)狀

西北地區(qū)配電網(wǎng)無功補償裝置絕大多數(shù)采用并聯(lián)電容電抗器投切方式，也有少量采用可控硅平衡電抗器調(diào)節(jié)方式（SVC），配電網(wǎng)無功補償裝置多集中于10kV以上線路，而極少有0.4kV配電網(wǎng)加裝無功補償。相比于0.4kV電網(wǎng)的無功補償，目前加裝于10kV線路的無功補償裝置，雖然對降低配電網(wǎng)的線損幫助不大，但可集中補償，單機容量大，安置于變電室內(nèi)部，安裝方便，維護工作量小、成本相對較低，目前被普遍采用。而在0.4kV電網(wǎng)加裝傳統(tǒng)電容投切無功補償裝置，存在如下問題：設(shè)備單機容量小、造價高；安裝位置分散，難以維護，易過補償或欠補償；終端電網(wǎng)工況復(fù)雜，補償裝置易發(fā)生諧振，故障率高；電容器壽命短，運行成本高；無功功率固定或階梯補償，難以適應(yīng)用電設(shè)備無功的大幅度變化。

3 基于IGBT技術(shù)的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）技術(shù)原理

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）的基本原理是由大功率電力半導(dǎo)體器件IGBT構(gòu)成的橋式逆變器電路，采用PWM空間矢量控制，并聯(lián)連接在0.4kV配電網(wǎng)線路上，其等效為一個輸出電壓、電流、相位可調(diào)的電壓電流源，向電網(wǎng)發(fā)出或者吸收無功電流，并可輸出疊加有高頻成分的電流波形，以抵消電網(wǎng)線路中的高次諧波。達到改善電能質(zhì)量的目的。

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成）。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置MEC應(yīng)用系統(tǒng)原理為：變電站將輸電網(wǎng)高壓降為10kV，經(jīng)1#、2#……N#變壓器（10kV/0.4kV）向最終用戶供電，傳統(tǒng)方案是在變電站變壓器10kV出口加裝無功補償裝置，如并聯(lián)電容、SVC或SVG，使用該方案時，10kV配電網(wǎng)線路存在大量無功電流，無功電流經(jīng)1#-N#變壓器流入最終負荷。采用MEC電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置后，變電站變壓器10kV端將不需要向低壓配電網(wǎng)提供無功，10kV配電網(wǎng)線路功率因數(shù)接近于1，只存在有功電流，負荷及1#-N#變壓器所需要的無功電流全部由MEC裝置提供，10kV/0.4kV配電網(wǎng)變壓器的最大容量得以有效利用。同時，由負荷產(chǎn)生的高次諧波、電壓閃邊、三相不平衡等影響電網(wǎng)質(zhì)量及安全性的問題，都通過MEC裝置得到解決，變電站將只負擔(dān)有功功率的傳輸，有效容量得以大幅度提升。

4 配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）的應(yīng)用效果

4.1 配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）的現(xiàn)場應(yīng)用

某臺區(qū)負荷是三相生產(chǎn)用電與單相負載混合用電，由于單相用電的不同時性及臨時性，導(dǎo)致臺區(qū)三相不平衡問題突出。針對這種情況，我們進行了電能質(zhì)量優(yōu)化裝置（MEC）改造，并利用臺區(qū)配變集采系統(tǒng)連續(xù)采集安裝前后十天同一時間段數(shù)據(jù)進行對比，效果如下：

（1）三相不平衡治理情況：三相電流不平衡度由安裝前的34.1%下降至9.4%，滿足變壓器運行規(guī)程不超過15%的要求。臺區(qū)三相電流不平衡問題得到有效治理。同時改造前臺區(qū)三相負荷不平衡導(dǎo)致的中性點電壓偏移，三相電壓差別較大，常超上限和越下限。電壓在240V以上的情況時有出現(xiàn)，最高到248.5V；臺區(qū)電壓低于220V情況經(jīng)常出現(xiàn)，最低到211V。裝置投入后臺區(qū)電壓超240V的情況很少出現(xiàn)，最高到241.1V；沒有出現(xiàn)電壓低于220V的情況。

（2）無功功率治理情況：臺區(qū)本身無功缺口較小，在10-20kvar之間，裝置投入運行后補償無功的速度很快，臺區(qū)無功功率基本在-1.0kvar至-2.0kvar之間。裝置無功投入超出了負荷側(cè)需求，需要控制無功輸出。

4.2 配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）節(jié)能效果分析

電網(wǎng)線路及變電電能損耗約為發(fā)電廠總輸出電量的15%左右，其中配電網(wǎng)的線損約占8%以上，0.4kV配電網(wǎng)加入MEC電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置后，根據(jù)類比數(shù)據(jù)，可降低電網(wǎng)線路、變壓器等損耗4%以上。

以一臺200kVA的10kV/0.4kV配網(wǎng)變壓器為例，西北地區(qū)一般低壓配電網(wǎng)變壓器運行功率因數(shù)為0.7～0.8，按0.75計算，該變壓器實際輸出有功功率150kW，實際輸出無功功率132kVar，裝配一臺150kVA的配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC），即可實現(xiàn)無功完全補償，按節(jié)電率最小4%計算，年運行時間8000小時，則年節(jié)約電量約為48000度，節(jié)約電費（每度按0.4元計）19200元。

5 結(jié)語

綜上所述，對低壓配電網(wǎng)采用基于IGBT技術(shù)的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）改造，經(jīng)前后測試對比，補償?shù)男Ч@著，達到即無功補償又治理諧波的目標。是改善西北地區(qū)配電網(wǎng)質(zhì)量問題的有效途徑。有利于大幅提高配電網(wǎng)實際輸電容量，提高配電網(wǎng)變壓器運行的安全性及工作壽命，節(jié)約配電網(wǎng)建設(shè)費用。

［1］陳志業(yè)，尹華麗，李鵬.電能質(zhì)量及其治理新技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2002年07期.

［2］黃華.現(xiàn)代電能質(zhì)量的新問題及其應(yīng)對策略［J］.華東電力，2002年03期.

［3］蔣平，趙劍鋒，唐國慶.電能質(zhì)量問題及其治理方法［J］.江蘇電機工程，2003年01期.