基于10kV配網節能降損與提高電能質量的STATCOM裝置的研究與應用

辛衛東　孫國歧　梁慧媛　王志翔　周　琪（. 國網山東節能服務有限公司，濟南　50000；. 山東德佑電氣股份有限公司，淄博　55000）

?

基于10kV配網節能降損與提高電能質量的STATCOM裝置的研究與應用

辛衛東1孫國歧2梁慧媛1王志翔1周琪1
（1. 國網山東節能服務有限公司，濟南250000；2. 山東德佑電氣股份有限公司，淄博255000）

摘要10kV線路損耗占電網總線損的80%以上，因此改善10kV配網的節能降耗十分緊迫。本文研究了基于10kV配網節能降損與提高電能質量的STATCOM裝置，該裝置采用基于H橋級聯多電平電路框架，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。

關鍵詞：STATCOM；H橋級聯；無功缺額

配網作為電網中功率消耗的主要部分，如何提高配網的節能降耗，對于供電企業經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的重要紐帶，其長度在電網中占到60%以上，其損耗占電網總線損的80%以上，因此改善10kV配網的節能降耗十分緊迫。

1　治理方案

1.1基本要求

針對10kV配網的負荷特性，裝置能夠實現如下功能：①對負荷無功功率的變化能夠快速準確地進行跟蹤；②將負荷諧波電流對補償設備的影響降至最低，杜絕諧波放大與系統共振；③能夠濾除電網中的主要諧波電流，將諧波危害和諧波無功功率降至最小，從而減少設備損耗和發熱危害。

1.2方案選取

采用基于H橋級聯多電平電路架構的智能擴展式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產品存在響應時間長、補償步長大的問題，而單純的STATCOM產品又存在成本過高的問題。因此這種新型裝置不僅具備TSC產品的高性價比優點，還具備STATCOM產品柔性補償，可以輸出容性及感性電流，響應速度快，不會出現過補的優點，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，經過調制后輸出到驅動電路觸發IGBT變換器將補電流注入到電網中，實現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

電路拓撲結構如圖2所示。采用H橋級聯多電平電路架構，直接接入10kV電網。采用N＋1冗余結構，當一個H橋鏈節損壞后，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測試數據

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。具體測試數據如下所示。

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，負載因數為67.6%。

圖2　STATCOM電路拓撲結構圖

圖3　110kV萌水變電站一次系統接線圖

圖4　10kV出線側諧波電流頻譜圖

圖5　10kV出線側無功功率需求量圖

根據圖5分析可得當負荷小時，電容器無功補償設備提供的無功功率多于系統所需無功功率如18∶00—22∶00，此時產生無功倒送的問題，平均倒送功率4.5Mvar；當負荷大時，電容器無功補償設備提供的無功功率小于系統所需無功功率如23∶00至次日6∶00，此時無功缺額平均為3Mvar。

2.3技術方案

由以上的負荷實測數據分析可得萌水變電站乙變所帶負荷一天內的負荷波動很大，所需無功功率變化也很大。當負荷低時電容器組出現無功功率過補償的情況，發生無功倒送；如果切除電容器組當負荷增大時又會導致無功缺額過大對系統電能質量產生影響。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，同時負荷高時系統產生的諧波電流也超出標準值。

因此要解決此變電站的問題應采用動態無功補償設備，設備能夠根據電網中動態變化的無功需量實現快速的補償。它可以對任何負載情況進行實時快速跟蹤補償，并且該設備維持系統電網電壓平穩，提高電網電能質量，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域最領先的技術。靜止同步補償器STATCOM裝置與電網中的設備并聯運行，與可變的無功電流源功能類似，通過改變STATCOM交流側電壓的幅值和相位，或者改變交流側電流的幅值和相位，發出或者吸收所需要的無功功率，達到快速動態補償無功的目的。

當負荷減小時，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裝置可以發出無功功率提高功率因數。

同時STATCOM能夠補償低次諧波，消除諧波電流。因此根據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　應用效果

STATCOM裝置投入使用后，效果明顯，功率因數提高到0.98以上、諧波達到國家標準的要求、配電變壓器的溫升明顯降低。

3.1諧波治理效果

設備投運后電網諧波電流減少，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配網節能降損與提高電能質量的STATCOM裝置投入后，萌水變電站10kV系統的功率因數由0.57提高到了0.98，節能效果非常明顯。

4　結論

基于10kV配網節能降損與提高電能質量的STATCOM裝置采用基于H橋級聯多電平電路框架，能夠快速跟蹤補償無功缺額，濾除諧波電流。

參考文獻

[1]羅承廉， 紀勇， 劉遵義. 靜止同步補償器（STATCOM）的原理與實現[M]. 北京: 中國電力出版社， 2005.

[2]（美）比馬爾 K.博斯（Bimal K.Bose）. 現代電力電子學與交流傳動[M]. 北京: 機械工業出版社， 2003.

[3]屈克慶， 靳希， 董立駿， 等. 基于載波移相技術的PWM多重化整流器[J]. 上海電力學院學報， 2008，24（3）: 282-285， 290.

辛衛東（1969-），男，高級工程師，研究方向為電機節能。

作者簡介