产品︱基于10KV配网节能降损与提高电能质量的STATCOM装置的研究与应用
各位读者，中国电工技术学会定于2016年7月3~4日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。请感兴趣的读者扫描下方的二维码（或关注微信公众号“电气技术”），浏览会议详情和进行快速注册报名。注册时请准确填写相关信息，会议服务人员将及时与您确认参会事宜。
国网山东节能服务有限公司、山东德佑电气股份有限公司的研究人员辛卫东、孙国歧、梁慧媛等，在2016年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，10kV线路损耗占电网总线损的百分之八十以上，因此改善10kV配网的节能降耗十分紧迫。
本文研究了基于10kV配网节能降损与提高电能质量的STATCOM装置，该装置采用基于H桥级联多电平电路框架，能够快速跟踪补偿无功缺额，滤除谐波电流。STATCOM装置投入使用后，谐波治理和无功补偿效果明显，配电变压器的温升明显降低。
配网作为电网中功率消耗的主要部分，如何提高配网的节能降耗，对于供电企业经济效益的提高具有非常重要的作用，同时对于降耗、减少二氧化碳排放也具有举足轻重的作用。10KV线路作为连接用户与电网的重要纽带，其长度在电网中占到百分之六十以上，其损耗占电网总线损的百分之八十以上，因此改善10KV配网的节能降耗十分紧迫。
1 治理方案
1.1 基本要求
针对10KV配网的负荷特性，装置能够实现如下功能：对负荷无功功率的变化能够快速准确地进行跟踪；将负荷谐波电流对补偿设备的影响降至最低，杜绝谐波放大与系统共振；能够滤除电网中的主要谐波电流，将谐波危害和谐波无功功率降至最小，从而减少设备损耗和发热危害。
1.2 方案选取
采用基于H桥级联多电平电路架构的智能扩展式STATCOM和固定投切电容的TSC组合治理方案，能够快速跟踪补偿无功缺额，滤除谐波电流。单纯的TSC产品存在响应时间长、补偿步长大的问题，而单纯的STATCOM产品又存在成本过高的问题。
因此这种新型装置不仅具备TSC产品的高性价比优点，还具备STATCOM产品柔性补偿，可以输出容性及感性电流，响应速度快，不会出现过补的优点，无谐波污染，对冲击性负荷引起的电压闪变也有很好的抑制效果。
1.3 STATCOM装置的基本工作原理
STATCOM通过外部CT实时采集电流信号送至信号调理电路，再送给FPGA控制器，提取出所有的谐波或无功电流，将其反相后与逆变器实际输出的补偿电流相比较得到差值信号，经过调制后输出到驱动电路触发IGBT变换器将补电流注入到电网中，实现无功补偿和谐波滤除的功能，如图1所示。
图1 STATCOM基本工作原理图
图2 STATCOM电路拓扑结构图
电路拓扑结构如图2所示。采用H桥级联多电平电路架构，直接接入10KV电网。采用N+1冗余结构，当一个H桥链节损坏后，通过旁路电路切除故障模块并启用第N+1备用功率模块，装置仍可继续满负荷运行，因此装置运行可靠性极高。
2 案例分析
2.1 工程概况
110KV萌水变电站一次系统接线图，如图3所示。
图3 110KV萌水变电站一次系统接线图
10kV萌水变电站一共有两台变压器分别为甲变和乙变，两台变压器分列运行，正常运行时母联断路器断开，两台变压器分别带不同的负荷，彼此之间无影响。
2.2 测试数据
我公司于2015年3月10日上午11时对萌水站110KV乙变10KV出线侧进行了测试，此时容量为6000kvar手动投切式电容器运行。具体测试数据如下所示。
2.2.1谐波分析
从3月10日11：50时开始，做24小时周期测量，容量6000kvar的无功补偿设备投入运行谐波电流频谱如图所示，谐波电流从夜间的23：20到凌晨的7：00左右谐波含量比较高，平均绝对值达到850A左右，最大值可达到1500A.夜间的谐波含量比较高。
图4 10kV出线侧谐波电流频谱图
2.2.2无功功率需求量
从3月10日11：50时开始，做24小时周期测量，容量6000kvar的无功补偿设备投入运行，无功需量最大值是4.5394Mvar平均需量值为3.0678Mvar,负载因数为67.6%。
图5 10kV出线侧无功功率需求量图
根据图5分析可得当负荷小时，电容器无功补偿设备提供的无功功率多于系统所需无功功率如18:00-22:00，此时产生无功倒送的问题，平均倒送功率4.5Mvar；当负荷大时，电容器无功补偿设备提供的无功功率小于系统所需无功功率如23:00-6:00，此时无功缺额平均为3Mvar。
2.3 技术方案
由以上的负荷实测数据分析可得萌水变电站乙变所带负荷一天内的负荷波动很大，所需无功功率变化也很大。当负荷低时电容器组出现无功功率过补偿的情况，发生无功倒送；如果切除电容器组当负荷增大时又会导致无功缺额过大对系统电能质量产生影响。因此单靠固定投入的电容器组不能满足负荷变化所需无功功率的要求，同时负荷高时系统产生的谐波电流也超出标准值。
因此要解决此变电站的问题应采用动态无功补偿设备，设备能够根据电网中动态变化的无功需量实现快速的补偿。它可以对任何负载情况进行实时快速跟踪补偿，并且该设备维持系统电网电压平稳，提高电网电能质量，并且具有谐波滤除功能。
静止同步补偿器STATCOM装置目前是无功补偿领域最领先的技术。静止同步补偿器STATCOM装置与电网中的设备并联运行，与可变的无功电流源功能类似，通过改变STATCOM交流侧电压的幅值和相位，或者改变交流侧电流的幅值和相位，发出或者吸收所需要的无功功率，达到快速动态补偿无功的目的。
当负荷小时，电容器补偿无功过剩时，静止同步补偿器STATACOM装置可以吸收多余无功功率，当负荷变大时，电容器补偿无功不足时，静止同步补偿器STATACOM装置可以发出无功功率提高功率因数。
同时STATCOM能够补偿低次谐波，消除谐波电流。因此根据变电站的负荷特性及静止同步补偿器STATCOM装置的功能特性，建议该变电站已变拆除1组3Mvar的固定投切电容器组，安装一套5Mvar的静止同步补偿器STATCOM装置。
3 应用效果
STATCOM装置投入使用后，效果明显，功率因数提高到0.98以上、谐波达到国家标准的要求、配电变压器的温升明显降低。
3.1 谐波治理效果
设备投运后电网谐波电流减少，5次谐波电流值由21.9A降至1.1A、7次谐波电流值由10.1A降至0.6A、11次谐波电流值由5.3A降至2.3A、13次谐波电流值由5.5A降至0.2A，总的电流畸变率由10.1%降至3.28%。
3.2 无功补偿效果
基于10KV配网节能降损与提高电能质量的STATCOM装置投入后，萌水变电站10KV系统的功率因数由0.57提高到了0.98，节能效果非常明显。
4 总结
基于10KV配网节能降损与提高电能质量的STATCOM装置采用基于H桥级联多电平电路框架，能够快速跟踪补偿无功缺额，滤除谐波电流。
关注电气工程技术、聚焦学科前沿发展