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　孫國歧　梁慧媛　王志翔　周　琪（. 國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟南　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孫國歧2梁慧媛1王志翔1周琪1
（1. 國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司，濟南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橋級聯(lián)多電平電路框架，能夠快速跟蹤補償無功缺額，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，對于供電企業(yè)經(jīng)濟效益的提高具有非常重要的作用，同時對于降耗、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10kV配網(wǎng)的負荷特性，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：①對負荷無功功率的變化能夠快速準(zhǔn)確地進行跟蹤；②將負荷諧波電流對補償設(shè)備的影響降至最低，杜絕諧波放大與系統(tǒng)共振；③能夠濾除電網(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橋級聯(lián)多電平電路架構(gòu)的智能擴展式STATCOM和固定投切電容的TSC組合治理方案，能夠快速跟蹤補償無功缺額，濾除諧波電流。單純的TSC產(chǎn)品存在響應(yīng)時間長、補償步長大的問題，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)品的高性價比優(yōu)點，還具備STATCOM產(chǎn)品柔性補償，可以輸出容性及感性電流，響應(yīng)速度快，不會出現(xiàn)過補的優(yōu)點，無諧波污染，對沖擊性負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實時采集電流信號送至信號調(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際輸出的補償電流相比較得到差值信號，經(jīng)過調(diào)制后輸出到驅(qū)動電路觸發(fā)IGBT變換器將補電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)無功補償和諧波濾除的功能，如圖1所示。

圖1　STATCOM基本工作原理圖

電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用H橋級聯(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)滿負荷運行，因此裝置運行可靠性極高。

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變壓器分別為甲變和乙變，兩臺變壓器分列運行，正常運行時母聯(lián)斷路器斷開，兩臺變壓器分別帶不同的負荷，彼此之間無影響。

2.2測試數(shù)據(jù)

我公司于2015年3月10日上午11時對萌水站110kV乙變10kV出線側(cè)進行了測試，此時容量為6000kvar手動投切式電容器運行。具體測試數(shù)據(jù)如下所示。

1）諧波分析

從3月10日11∶50時開始，做24h周期測量，容量6000kvar的無功補償設(shè)備投入運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，平均絕對值達到850A左右，最大值可達到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時開始，做24h周期測量，容量6000kvar的無功補償設(shè)備投入運行，無功需量最大值是4.5394Mvar平均需量值為3.0678Mvar，負載因數(shù)為67.6%。

圖2　STATCOM電路拓撲結(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)負荷小時，電容器無功補償設(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，此時產(chǎn)生無功倒送的問題，平均倒送功率4.5Mvar；當(dāng)負荷大時，電容器無功補償設(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，此時無功缺額平均為3Mvar。

2.3技術(shù)方案

由以上的負荷實測數(shù)據(jù)分析可得萌水變電站乙變所帶負荷一天內(nèi)的負荷波動很大，所需無功功率變化也很大。當(dāng)負荷低時電容器組出現(xiàn)無功功率過補償?shù)那闆r，發(fā)生無功倒送；如果切除電容器組當(dāng)負荷增大時又會導(dǎo)致無功缺額過大對系統(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荷變化所需無功功率的要求，同時負荷高時系統(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)采用動態(tài)無功補償設(shè)備，設(shè)備能夠根據(jù)電網(wǎng)中動態(tài)變化的無功需量實現(xiàn)快速的補償。它可以對任何負載情況進行實時快速跟蹤補償，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。

靜止同步補償器STATCOM裝置目前是無功補償領(lǐng)域最領(lǐng)先的技術(shù)。靜止同步補償器STATCOM裝置與電網(wǎng)中的設(shè)備并聯(lián)運行，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，達到快速動態(tài)補償無功的目的。

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

同時STATCOM能夠補償?shù)痛沃C波，消除諧波電流。因此根據(jù)變電站的負荷特性及靜止同步補償器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、諧波達到國家標(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橋級聯(lián)多電平電路框架，能夠快速跟蹤補償無功缺額，濾除諧波電流。

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辛衛(wèi)東（1969-），男，高級工程師，研究方向為電機節(jié)能。

作者簡介