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）

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(fù)荷變化、季節(jié)負(fù)荷變化、負(fù)荷分布不均等因素的影響，線路電壓易出現(xiàn)較大的波動(dòng)，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(jìn)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(diǎn)，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(bǔ)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(xì)、無功補(bǔ)償能力不足等問題。同時(shí)由于配電配網(wǎng)使用大量的農(nóng)業(yè)機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械幾乎都是感性負(fù)載，負(fù)載無功比例大，導(dǎo)致農(nóng)網(wǎng)無功污染嚴(yán)重，可靠性受到極大的影響。西北電網(wǎng)負(fù)荷變化明顯，全年不同時(shí)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(dòng)，并且波動(dòng)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(yuǎn)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(yán)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償。相比于0.4kV電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，目前加裝于10kV線路的無功補(bǔ)償裝置，雖然對降低配電網(wǎng)的線損幫助不大，但可集中補(bǔ)償，單機(jī)容量大，安置于變電室內(nèi)部，安裝方便，維護(hù)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(bǔ)償裝置，存在如下問題：設(shè)備單機(jī)容量小、造價(jià)高；安裝位置分散，難以維護(hù)，易過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償；終端電網(wǎng)工況復(fù)雜，補(bǔ)償裝置易發(fā)生諧振，故障率高；電容器壽命短，運(yùn)行成本高；無功功率固定或階梯補(bǔ)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(gè)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(dá)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(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成）。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測出補(bǔ)償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時(shí)也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)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(bǔ)償裝置，如并聯(lián)電容、SVC或SVG，使用該方案時(shí)，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(fù)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(fù)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(shí)，由負(fù)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(fù)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(fù)荷是三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電，由于單相用電的不同時(shí)性及臨時(shí)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(jìn)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(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)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(shí)改造前臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡導(dǎo)致的中性點(diǎn)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(shí)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(yùn)行后補(bǔ)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(fù)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(yùn)行功率因數(shù)為0.7～0.8，按0.75計(jì)算，該變壓器實(shí)際輸出有功功率150kW，實(shí)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(shí)現(xiàn)無功完全補(bǔ)償，按節(jié)電率最小4%計(jì)算，年運(yùn)行時(shí)間8000小時(shí)，則年節(jié)約電量約為48000度，節(jié)約電費(fèi)（每度按0.4元計(jì)）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(bǔ)償?shù)男Ч@著，達(dá)到即無功補(bǔ)償又治理諧波的目標(biāo)。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(shí)際輸電容量，提高配電網(wǎng)變壓器運(yùn)行的安全性及工作壽命，節(jié)約配電網(wǎng)建設(shè)費(fèi)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(jī)工程，2003年01期.