基于IGBT技術解決西北配電網電能質量的應用研究

夏稀淵 張建華 馮林魁

（國網甘肅電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730050）

基于IGBT技術解決西北配電網電能質量的應用研究

夏稀淵 張建華 馮林魁

（國網甘肅電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730050）

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

配電網 電能質量 電容器 綜合優化 無功補償

1 概述

西北地區面積廣闊，用電不集中，大量新能源并網，存在著電網結構不合理、供電半徑大、饋線線路長、導線截面細、無功補償能力不足等問題。同時由于配電配網使用大量的農業機械，農業機械幾乎都是感性負載，負載無功比例大，導致農網無功污染嚴重，可靠性受到極大的影響。西北電網負荷變化明顯，全年不同時間段和不同季節，其電能質量呈現不同的特性，導致配電網的無功需求量經常波動，并且波動范圍大。由于以上原因，西北電網呈現以下顯著特征：一是電網建設基礎薄弱，偏遠地區農網配置低，末端電壓隨著季節出現階段性偏高或偏低現象；二是電網老化快、電能質量差、供電不穩，三相不平衡現象嚴重；三是配電網線損大，故障多，輸電成本高。因此，保證配電電網電壓質量成為需要解決的首要問題。

2 西北地區配網電能質量優化設備現狀

西北地區配電網無功補償裝置絕大多數采用并聯電容電抗器投切方式，也有少量采用可控硅平衡電抗器調節方式（SVC），配電網無功補償裝置多集中于10kV以上線路，而極少有0.4kV配電網加裝無功補償。相比于0.4kV電網的無功補償，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電網加裝傳統電容投切無功補償裝置，存在如下問題：設備單機容量小、造價高；安裝位置分散，難以維護，易過補償或欠補償；終端電網工況復雜，補償裝置易發生諧振，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，難以適應用電設備無功的大幅度變化。

3 基于IGBT技術的電能質量綜合優化裝置（MEC）技術原理

電能質量綜合優化裝置（MEC）的基本原理是由大功率電力半導體器件IGBT構成的橋式逆變器電路，采用PWM空間矢量控制，并聯連接在0.4kV配電網線路上，其等效為一個輸出電壓、電流、相位可調的電壓電流源，向電網發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，以抵消電網線路中的高次諧波。達到改善電能質量的目的。

電能質量綜合優化裝置（MEC）由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路（由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成）。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。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流。

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

4 配電網電能質量綜合優化裝置（MEC）的應用效果

4.1 配電網電能質量綜合優化裝置（MEC）的現場應用

某臺區負荷是三相生產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，導致臺區三相不平衡問題突出。針對這種情況，我們進行了電能質量優化裝置（MEC）改造，并利用臺區配變集采系統連續采集安裝前后十天同一時間段數據進行對比，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%，滿足變壓器運行規程不超過15%的要求。臺區三相電流不平衡問題得到有效治理。同時改造前臺區三相負荷不平衡導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，最高到248.5V；臺區電壓低于220V情況經常出現，最低到211V。裝置投入后臺區電壓超240V的情況很少出現，最高到241.1V；沒有出現電壓低于220V的情況。

（2）無功功率治理情況：臺區本身無功缺口較小，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需求，需要控制無功輸出。

4.2 配電網電能質量綜合優化裝置（MEC）節能效果分析

電網線路及變電電能損耗約為發電廠總輸出電量的15%左右，其中配電網的線損約占8%以上，0.4kV配電網加入MEC電能質量綜合優化裝置后，根據類比數據，可降低電網線路、變壓器等損耗4%以上。

以一臺200kVA的10kV/0.4kV配網變壓器為例，西北地區一般低壓配電網變壓器運行功率因數為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的配電網電能質量綜合優化裝置（MEC），即可實現無功完全補償，按節電率最小4%計算，年運行時間8000小時，則年節約電量約為48000度，節約電費（每度按0.4元計）19200元。

5 結語

綜上所述，對低壓配電網采用基于IGBT技術的電能質量綜合優化裝置（MEC）改造，經前后測試對比，補償的效果顯著，達到即無功補償又治理諧波的目標。是改善西北地區配電網質量問題的有效途徑。有利于大幅提高配電網實際輸電容量，提高配電網變壓器運行的安全性及工作壽命，節約配電網建設費用。

［1］陳志業，尹華麗，李鵬.電能質量及其治理新技術［J］.電網技術，2002年07期.

［2］黃華.現代電能質量的新問題及其應對策略［J］.華東電力，2002年03期.

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