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配电网静止同步补偿器的研制和应用

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/6/24 14:14:24   

    随着电动机等非线性负载的增多,低压配电网的功率因数、谐波电流、电压闪变、三相不平衡等电能质量问题变得日益突出。这些问题会造成工业、商业、居民等用户电费的增加、计量仪表准确度失真、变压器等设备损耗增大,严重的还会导致变压器等设备的损坏。传统的低压无功补偿采用成组投切电容器或智能控制投切电容器,由于受电容器组本身容量和投切时间的限制,往往造成欠补偿或过补偿的问题,特别是由于电容器补偿容量和线电压平方成正比关系,当电动机低电压启动时,电容器补偿往往难以满足快速补偿的需求。
   配电网静止同步补偿装置(Distribution STATic COMpensator)是一种综合有源滤波器(APF),是采用先进的现代电力电子技术、计算机技术、现代控制理论技术、通信技术、制造技术和工艺技术研制和生产的新型配电网电能质量控制和节能节电装置。在理论上对与该装置的功能和实现方法作了探讨和研究。本项目的研制人员在大量汲取国内外研究成果的基础上,结合国内配电网的具体情况,研制了一种新型的配电网同步补偿装置。本装置能够解决动态连续的无功补偿,具有功率因数梭正等功能,并且响应速度快。适用于电压为380V的配电系统,可广泛应用于供电企业、油田、冶金以及对电能质量要求较高的精加工企业,可动态连续无级调节无功功率的输出或提高功率因数、消除电流谐波、平衡三相负载、抑制电压闪变等,与配电网电容器补偿相比可以显著地改善电能质量和提高城市配电系统的稳定性。
  1装置功能
   根据国内配电网的具体情况,研制的配电网静止同步补偿装置(D-STATCOM)具有如下功能:(1)采集、计算和处理实时数据,分析并记录实时运行状态。(2)快速动态连续的无功补偿:D-STATCOM的功率器件是采用大功率的绝缘栅双极型晶体管(IG-BT),开关频率为6.4kHz,在每个工频周期内动作128次,响应时间小于0.2ms,因此可以快速补偿系统无功。在补偿容量范围内,装置投运后功率因数不低于0.950 (3)谐波治理:在容量范围内补偿配电网电流的低次谐波。降低谐波损耗,延长用电设备的使用寿命。(4)平衡三相负载:采用分相补偿方式,利用直流储能元件,重新分配三相的功率流动,当三相负载不平衡时,装置对变压器输送过来的功率进行重新分配,保证电源输送过来的三相电一流平衡,延长变压器的使用寿命。(5)抑制浪涌冲击,降低系统电压的波动和闪变。
  2装置工作原理
  2.1谐波治理
   电力系统中负荷电流可以分解成为两部分,一部分是基波正弦电流部分,另一部分是谐波电流,两部分之和是总的负荷电流。进行谐波治理时,将配电网静止同步补偿装置安装在系统与负荷间的线路上,通过采用相应的控制策略,使得该补偿装置能够产生负荷电流中的谐波电流部分,这样从系统侧来看,电源只需要向负荷提供基波正弦的那一部分电流,也就是说,系统电流的谐波被消除了。其中,控制效果与控制装置的能力、控制策略,与负荷及系统状况相关。
  2.2无功补偿
   当系统的功率因数太低时,会造成较大的线损,同时大大减小线路的实际可传输容量,这时需要进行无功补偿。与前面的谐波治理相似,同样可以把电流分解成为两部分,一部分是与电压完全同相位的电流,即有功电流,另一部分是与电压成90度夹角的电流,即无功电流。
   与谐波治理相似,将配电网静止同步补偿装置安装在系统与负荷间的线路上,通过采用相应的控制策略,使得该补偿装置能够产生负荷电流中的无功电流部分,这样从系统侧来看,实际上电源只需要向负荷提供有功电流,也就是说,系统电流的功率因数理论上被补偿为1。实际的控制效果与装置的容量、控制策略、同步信号等方面相关。
  2.3平衡负载
   在理想情况下,系统的三相电流应该是对称平衡的。然而一般情况下,系统三相电流总是存在着或多或少的不平衡、不对称。当这种情况比较严重的时候,系统会产生较大的中线电流,对配电系统来说在安全上和经济上都是不利的。同样,可以将电流分解成两部分:一部分是三相对称平衡的电流,这一部分正是系统电流的基波正序部分;另一部分则是系统电流的不对称部分,这一部分是系统电流的负序和零序电流之和。
   为平衡负载,将配电网静止同步补偿装置安装在系统与负荷间的线路上,通过采用相应的控制策略,使得该补偿装置能够产生负荷电流中的不对称部分,即负序电流和零序电流,这样从系统侧来看,实际上源只需要向负荷提供三相对称平衡的基波正序电流,也就是说,对系统而言实现了负载平衡。实际的控制效果与装置的容量、控制策略、同步信号等相关。
   根据以上所述的工作原理和功能设计的D-STATCOM装置,并联接在系统与负载之间的,其接线方式如图1所示。
  



  3应用效果
   在某油田馈电线安装D-STATCOM装置进行实验。根据D-STATCOM装置的布位情况,分为集中补偿和分散补偿两种方式。其中集中补偿是根据需要补偿的容量,在变压器的低压出口处安装D-STATCOM装置,以补偿其所带的几台抽油机负载;分散补偿是按照每台电动机需要补偿的容量,在电动机负载就近安装装置。
  (1)集中补偿时:通过现场采集的数据计算,可得出表1中所示的低压侧与高压侧在投人装置前、后所对应的电流值。
  (2)分散补偿时:由于抽油机布点较多,而实验用D-STATCOM装置数量有限,因此选取了七个点安装装置进行实验,测得数据如表2所示,根据表2的数据可以计算得出表3的结果。
  


  


   通过对节能效果的分析对比得出:在相同补偿容量的情况下,分散补偿方案较集中补偿方案节能效果要好,但分散补偿需要安装的装置数量较集中补偿的多。因此在具体现场使用装置的时候,可根据需要补偿的容量制定一整套的总体规划,达到既能实现补偿的功能,又使投资最小的配置方案。
   在某油田计量间安装D-STATCOM装置进行实验,测得的数据如表4所示。从表4的数据可以看一出,在D-STATCOM装置投运后,系统电能质量的各项参数都有了比较大的改善和提高。
  


  4结论
   电能质量直接关系到国民经济的总体效益。美国、日本等国在高压、大容量电力电子装置的研发先行一步,但在基于电力电子技术的配电网自动化方面相对而言投人不大。在我国,虽然总体经济和技术水平还比较落后,但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出。而且,由于各种原因,在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上,我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量,已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。国内在SYC(静止无功补偿)的研究较多,目前有比较成熟的产品。但在动态连续无功补偿及谐波洽方面的研究起步较晚,还没有成熟的产品。如何利用电力电子技术开发一种实现动态连续无功补偿及谐波治理,补偿三相不平衡负荷和零序电流的装置将是近几年技术发展方向。本文给出的D-STATCOM对于提高电能质量有很好的效果。
   通常、钢铁、冶金、矿山、电气化铁路、风电厂以及其他具有或者靠近冲击件负荷和大容量电动机的工业领域,特别需安装配电网分散无功补偿器(D-STATCOM)以提高电能质量、供电可靠性和经济性。对于城市配电网中,尤其是医院、金融、电讯、科研院所、电子信息和商业等重要场所的供电,更加关注供电的可靠性和供电的质量。因此D-STATCOM装置将具有很大的应用前景。

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