STATCOM裝置在中壓加氫6 kV配電室中的應用

王斌

（燕山石化公司 生產(chǎn)運行保障中心，北京 102500）

0 引言

隨著石油化工企業(yè)不斷地增容和技術改造，其配電網(wǎng)中主要負荷如變壓器、電動機等感性電力負荷數(shù)量不斷增加。大量感性負荷的增加必然降低電網(wǎng)電能質(zhì)量、增加無功損耗、降低功率因數(shù)。目前煉油二廠北區(qū)6 kV配電室電源由鳳凰亭站供電，實測功率因數(shù)較低，按照北京電力公司功率因數(shù)調(diào)整電費管理辦法，每月需多繳納電費，增加了供電成本。另外考慮企業(yè)自身對節(jié)能降耗的需要，因此必須增加無功補償裝置。

電力電子技術，特別是大功率可關斷器件技術的飛速發(fā)展，使得靜止同步補償器（（Static（synchronous）Compensator以下簡稱STATCOM）成為了無功補償裝置的發(fā)展方向。STATCOM是用自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置，與以往調(diào)相機、并聯(lián)電容器、分組投切電容器及可控硅相控電抗器等無功補償裝置相比，STATCOM的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量，并提高系統(tǒng)動態(tài)響應時間。

1 STATCOM基本原理

STATCOM主要是由變流裝置來實現(xiàn)產(chǎn)生無功功率的，即由系統(tǒng)通過連接電抗器和變流器整流后向電容器充電，同時在電容器上的直流電壓通過變流器逆變成三相交流。改變變流器中電力電子器件閥門上的脈沖的同步時間，就可以控制逆變后的輸出電壓與系統(tǒng)電壓間的相角差。如果系統(tǒng)電壓領先與裝置的電壓，系統(tǒng)向STATCOM裝置中的電容充電，使電容器上的電壓提高，因此通過逆變器輸出的電壓高于系統(tǒng)電壓，形成STATCOM向系統(tǒng)輸送無功功率。反之，觸發(fā)脈沖使逆變電壓領先于系統(tǒng)電壓，電容器則用電壓降低輸出電能，于是STATCOM將處于吸收無功功率的狀態(tài)下，兩種情況都會在系統(tǒng)提供的功率與STATCOM消耗的功率平衡而終止，如圖1 所示［1］。

下面就STATCOM鏈式拓撲結構的原理、特點進行討論，以期對今后STATCOM裝置的選型有一定的借鑒作用。

圖1 STATCOM基本原理圖

2 鏈式拓撲結構的簡介

鏈式STATCOM的主電路核心部分是鏈式結構［2］的電壓源逆變器，每一相都是一個獨立的鏈，由N個結構完全相同的基本單元也就是鏈節(jié)串聯(lián)而成，每個鏈節(jié)是一個可輸出3電平的單相橋式電壓源逆變器，包括一個直流電容器作為電壓源、與其相連的四個可關斷器件及相應的反并聯(lián)續(xù)流二極管。通過對可關斷器件進行適當?shù)拈_關控制，每個鏈節(jié)輸出電壓可以為+U、－U或0（將電容器旁路），N個鏈節(jié)串聯(lián)就能得到包括（2N+1）級的階梯電壓波形。電路基本結構和輸出電壓示意如圖2、圖3、圖4所示。通過調(diào)節(jié)每個鏈節(jié)的控制角α從而改變輸出電壓波形寬度，可以使疊加后的階梯波非常接近正弦波形。三個獨立的鏈其兩端分別連接一個空心電抗器后經(jīng)過Δ接或Y接就構成了三相鏈式逆變器，這種接線方式允許三個單相逆變器實現(xiàn)分相控制。通過控制鏈式STATCOM輸出電壓的幅值和相角，可以控制鏈式STATCOM與交流系統(tǒng)之間交換無功電流的大小和方向，從而實現(xiàn)無功功率和母線電壓的有效控制，提供系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

圖2 鏈節(jié)基本結構及電壓波形

圖3 單相鏈式電路

圖4 單相鏈式電路（3個鏈節(jié)）輸出電壓

3 鏈式結構的STATCOM具有以下特性

（1）所有鏈節(jié)的結構完全相同，可以實現(xiàn)模塊化設計。通過簡單的增加鏈節(jié)就可以提高裝置的容量，換流器的成本與容量成比例;

（2）鏈式STATCOM可以獨立分相控制，有利于解決系統(tǒng)的相間平衡問題，在系統(tǒng)受到擾動時，更好的提供電壓支撐;

（3）可關斷器件在每個周期內(nèi)只開通、關斷一次，采用低損吸收電路，將損耗降到最小;

（4）動態(tài)響應速度快，響應時間小于20 ms。運行范圍大，當電網(wǎng)電壓波動時，STATCOM可以提供恒定的最大無功電流。

（5）每相電路中設有1～2個冗余鏈節(jié)，提高了裝置的可靠性;

（6）避免了因開關器件直接串并聯(lián)使用而產(chǎn)生的問題和限值;

（7）在交流系統(tǒng)平衡和不平衡的狀態(tài)下，鏈式STATCOM的諧波特性好，逆變器產(chǎn)生的諧波可以忽略，不需要濾波器。

4 補償容量確定與主要參數(shù)選擇

4.1 目前系統(tǒng)狀況

中壓加氫6 kV配電室兩路進線來著鳳凰亭站，正常情況下采用單母線分段運行。所帶負載以大功率電動機和變壓器為主。功率因數(shù)較低，現(xiàn)場測量在0.75左右?；矩摵扇绫?。

表1 中壓加氫配電室負荷統(tǒng)計表

4.2 補償容量的確定

功率因數(shù)由0.823提供到0.92需要補償?shù)臒o功功率為:

中壓加氫一602（Ⅱ段）

中壓加氫一602段，根據(jù)所給電能統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得:

有功功率:

功率因數(shù)由0.823提供到0.92需要補償?shù)臒o功功率為:

根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀及可能出現(xiàn)的運行方式，考率留有一定的裕度，最終確定每段補償容量1 800 kvar。

設補償后功率因數(shù)目標值為0.92計算如下:

中壓加氫二601 （Ⅰ段）

有功功率:

4.3 根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)狀確定STATCOM裝置基本參數(shù)

主電路采用12個H橋級聯(lián)構成的鏈式拓撲結構，額定電壓6 kV，額定容量 ±1.8 Mvar。IGBT功率器件采用優(yōu)派克的FF200R17KE3（200 A/1 700 V），開關頻率為250 Hz，SPWM 載波移相控制，單極倍頻方式，系統(tǒng)交流側輸出等效頻率為6 kHz。主電路采用三角型連接，連接電抗14%，每相6只電抗（4.4 mH/100 A）組成，分布于6層功率間隔。

4.4 根據(jù)裝置基本參數(shù)確定STATCOM主要元器件參數(shù)

對于STATCOM而言比較重要的參數(shù)應包括等值電抗（或等值電感）、等值電阻（代表損耗）及直流側電容參數(shù)［3］。

4.4.1 等值電抗

忽略裝置損耗，當STATCOM發(fā)出額定容量的無功時，逆變器輸出電壓標幺值為V*1=1+V*L，當STATCOM吸收額定容量的無功時，逆變器輸出電壓標幺值為V*1=1－V*L，因此感抗標幺值表征了輸出電壓的變化范圍。連接電抗值越大，逆變器設計容量越大，導致裝置成本增加。但是連接電抗也不能太小，其作用體現(xiàn)在兩個方面:一是限制短路電流，二是抑制電流諧波。感抗標幺值選擇范圍一般是10%～20%，一般可取15%左右。因此每相閥共串聯(lián)6只4.4 mH的連接電抗。則等效阻抗ZL、系統(tǒng)等效阻抗ZS、感抗標幺值分別ZL/ZS為:

即串聯(lián)了13.816%的電抗。

4.4.2 等值電阻

其代表了閥體的等效串聯(lián)阻抗，其電阻標幺值等于裝置損耗的標幺值。鏈式STATCOM損耗很小，僅為裝置容量的0.5% ～1.5%。

4.4.3 等值電容

對于鏈式STATCOM，因為無功不會影響直流電容電壓的大小，只會引起直流電容上電壓的二倍頻波動，可以發(fā)出或吸收最大無功情況下進行直流電容參數(shù)設計。根據(jù)每段補償容量及IGBT的固有參數(shù)，選擇每個模塊的輸出容量為55 kVA，模塊的直流電壓平均值1 000 V，額定輸出電壓550 V，最高輸出電壓690 V，額定相電流100 A，1.2倍電流120 A。允許直流電壓波動±50 V，則可取ΔUdc=100 V。在T/2內(nèi)，直流側電容電壓變化最大，鏈節(jié)直流電壓主要受無功功率波動影響，設q=Q×sin2ωt則:

考慮到一定的裕量及電容固有參數(shù)，電容選取2 000 μF，額定直流電壓1 200 V。

5 應用效果

5.1 電氣系統(tǒng)方面

為了保證裝置的整體性能，在成套裝置出廠前，需要進行控制系統(tǒng)閉環(huán)測試試驗［4－5］。圖5為鏈式STATCOM在低壓500 V下的發(fā)出容性無功電流（2.5 A）的AB相電壓電流測試波形。從圖5中可以看出，電流超前于電壓90°，輸出電壓波形良好，輸出電壓THD僅為2.71%，遠遠低于國家要求水平。

5.2 降低線路損耗方面

圖5 鏈式STATCOM閉環(huán)測試波形及電壓THD分相

加裝STATCOM裝置后，功率因數(shù)由0.75提高到0.92，因P=UIcosφ，負荷電流I與 cosφ成反比，且PL=I2R，線路的有功損失與電流I的平方成正比。當cosφ升高，負荷電流I降低，即電流I降低，線路有功損耗就成倍降低。因此，當負荷的功率因數(shù)從 cosφ1=0.75 提高到 cosφ2=0.92 時，電網(wǎng)元件中功率損耗將減小的百分數(shù)為ΔPL%，計算如下［6］:

設PL1為補償前電路線損，PL2為補償后電路線損，R為中壓加氫進線電纜直徑240 mm2兩根并聯(lián)，長1 000 m。查表2得電阻 0.094 Ω。

表2 功率因數(shù)調(diào)整電費表

潛在節(jié)約電費約108萬元/年。

5.3 經(jīng)濟效益方面

由現(xiàn)場實測功率因數(shù)在0.92以上，不但避免了供電局對功率因數(shù)低的考核，且根據(jù)北京電力公司《功率因數(shù)調(diào)整電費管理辦法》，每年由提高功率因數(shù)節(jié)約的費用計算如下:

中壓加氫6 kV配電室2008年平均每月用電量601段:1 520 726 kWh，602 段:513 859 kWh。工業(yè)用戶電費 0.599 5 元/kWh。

6 結束語

石化企業(yè)由于自身生產(chǎn)性質(zhì)的特點，所帶負荷以較大容量異步電動機及低負荷變壓器為主，較大容量的無功功率必然造成自然功率因數(shù)較低。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來看投用STATCOM裝置后，中壓加氫配電室功率因數(shù)均在0.9以上，大大降低了供電成本。而且由于中壓加氫配電室所帶異步電動機容量較大，當電動機起動時，中壓加氫6 kV配電室配套的鏈式STATCOM裝置輸出電壓波形好，波形及電壓THD含量測量看不但具有較強的動態(tài)無功補償能力，而且諧波含量低，具有較好的電能質(zhì)量治理效果。從經(jīng)濟效益方面節(jié)約潛在的電費也是相當可觀的。隨著大功率電力電子元件性能不斷提高、價格不斷降低、國產(chǎn)STATCOM裝置工程應用實例經(jīng)驗的不斷積累及企業(yè)自身節(jié)能降耗的需求，STATCOM裝置必將在石化企業(yè)得到廣泛的應用。

［1］劉文華，姜齊榮.±20 Mvar STATCOM總體設計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2000，24（23）:14 －18.

［2］丁留寶，張俊芳，陳勁超.幾種典型大容量靜止無功發(fā)生器主電路的分析［J］.電源世界，2007，10（7）:17 －21.

［3］王仲鴻，姜齊榮，沈東.關于新型靜止無功發(fā)生器模型參數(shù)及暫態(tài)控制模型選擇的討論［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23（24）:43 －45.

［4］楊曉楠.鏈式靜止同步補償器IGCT閥試驗方法的研究［D］.北京:中國電力科學研究院，2005.

［5］俞霖，孫玉坤.一種用于三相PFC，APF和STATCOM的通用矢量控制器［J］.電氣自動化，2009，31（1）:72 －75.

［6］李如虎.提高功率因數(shù) 降低電能損耗［J］.廣西電力技術:1999，22（2）:57－58.