基于IGBT技术解决西北配电网电能质量的应用研究

【摘 要】配电网由于受供电半径、昼夜负荷变化、季节负荷变化、负荷分布不均等因素的影响，线路电压易出现较大的波动，直接影响设备用电安全。本文通过对西北配电网电能质量设备现状进行分析，分析基于IGBT技术开发的电能质量综合优化装置（MEC）的原理及特点，研究采用综合优化装置（MEC）解决配电网电能质量的可行方法。为电能质量治理技术提供借鉴。

【关键词】配电网 电能质量 电容器 综合优化 无功补偿

1 概述

西北地区面积广阔，用电不集中，大量新能源并网，存在着电网结构不合理、供电半径大、馈线线路长、导线截面细、无功补偿能力不足等问题。同时由于配电配网使用大量的农业机械，农业机械几乎都是感性负载，负载无功比例大，导致农网无功污染严重，可靠性受到极大的影响。西北电网负荷变化明显，全年不同时间段和不同季节，其电能质量呈现不同的特性，导致配电网的无功需求量经常波动，并且波动范围大。由于以上原因，西北电网呈现以下显著特征：一是电网建设基础薄弱，偏远地区农网配置低，末端电压随着季节出现阶段性偏高或偏低现象；二是电网老化快、电能质量差、供电不稳，三相不平衡现象严重；三是配电网线损大，故障多，输电成本高。因此，保证配电电网电压质量成为需要解决的首要问题。

2 西北地区配网电能质量优化设备现状

西北地区配电网无功补偿装置绝大多数采用并联电容电抗器投切方式，也有少量采用可控硅平衡电抗器调节方式（SVC），配电网无功补偿装置多集中于10kV以上线路，而极少有0.4kV配电网加装无功补偿。相比于0.4kV电网的无功补偿，目前加装于10kV线路的无功补偿装置，虽然对降低配电网的线损帮助不大，但可集中补偿，单机容量大，安置于变电室内部，安装方便，维护工作量小、成本相对较低，目前被普遍采用。而在0.4kV电网加装传统电容投切无功补偿装置，存在如下问题：设备单机容量小、造价高；安装位置分散，难以维护，易过补偿或欠补偿；终端电网工况复杂，补偿装置易发生谐振，故障率高；电容器寿命短，运行成本高；无功功率固定或阶梯补偿，难以适应用电设备无功的大幅度变化。

3 基于IGBT技术的电能质量综合优化装置（MEC）技术原理

电能质量综合优化装置（MEC）的基本原理是由大功率电力半导体器件IGBT构成的桥式逆变器电路，采用PWM空间矢量控制，并联连接在0.4kV配电网线路上，其等效为一个输出电压、电流、相位可调的电压＼电流源，向电网发出或者吸收无功电流，并可输出叠加有高频成分的电流波形，以抵消电网线路中的高次谐波。达到改善电能质量的目的。

电能质量综合优化装置（MEC）由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。

电能质量综合优化装置MEC应用系统原理为：变电站将输电网高压降为10kV，经1#、2#……N#变压器（10kV/0.4kV）向最终用户供电，传统方案是在变电站变压器10kV出口加装无功补偿装置，如并联电容、SVC或SVG，使用该方案时，10kV配电网线路存在大量无功电流，无功电流经1#-N#变压器流入最终负荷。采用MEC电能质量综合优化装置后，变电站变压器10kV端将不需要向低压配电网提供无功，10kV配电网线路功率因数接近于1，只存在有功电流，负荷及1#-N#变压器所需要的无功电流全部由MEC装置提供，10kV/0.4kV配电网变压器的最大容量得以有效利用。同时，由负荷产生的高次谐波、电压闪边、三相不平衡等影响电网质量及安全性的问题，都通过MEC装置得到解决，变电站将只负担有功功率的传输，有效容量得以大幅度提升。

4 配电网电能质量综合优化装置（MEC）的应用效果

4.1 配电网电能质量综合优化装置（MEC）的现场应用

某台区负荷是三相生产用电与单相负载混合用电，由于单相用电的不同时性及临时性，导致台区三相不平衡问题突出。针对这种情况，我们进行了电能质量优化装置（MEC）改造，并利用台区配变集采系统连续采集安装前后十天同一时间段数据进行对比，效果如下：

（1）三相不平衡治理情况：三相电流不平衡度由安装前的34.1%下降至9.4%，满足变压器运行规程不超过15%的要求。台区三相电流不平衡问题得到有效治理。同时改造前台区三相负荷不平衡导致的中性点电压偏移，三相电压差别较大，常超上限和越下限。电压在240V以上的情况时有出现，最高到248.5V；台区电压低于220V情况经常出现，最低到211V。装置投入后台区电压超240V的情况很少出现，最高到241.1V；没有出现电压低于220V的情况。

（2）无功功率治理情况：台区本身无功缺口较小，在10-20kvar之间，装置投入运行后补偿无功的速度很快，台区无功功率基本在-1.0kvar至-2.0kvar之间。装置无功投入超出了负荷侧需求，需要控制无功输出。

4.2 配电网电能质量综合优化装置（MEC）节能效果分析

电网线路及变电电能损耗约为发电厂总输出电量的15%左右，其中配电网的线损约占8%以上，0.4kV配电网加入MEC电能质量综合优化装置后，根据类比数据，可降低电网线路、变压器等损耗4%以上。

以一台200kVA的10kV/0.4kV配网变压器为例，西北地区一般低压配电网变压器运行功率因数为0.7～0.8，按0.75计算，该变压器实际输出有功功率150kW，实际输出无功功率132kVar，装配一台150kVA的配电网电能质量综合优化装置（MEC），即可实现无功完全补偿，按节电率最小4%计算，年运行时间8000小时，则年节约电量约为48000度，节约电费（每度按0.4元计）19200元。

5 结语

综上所述，对低压配电网采用基于IGBT技术的电能质量综合优化装置（MEC）改造，经前后测试对比，补偿的效果显著，达到即无功补偿又治理谐波的目标。是改善西北地区配电网质量问题的有效途径。有利于大幅提高配电网实际输电容量，提高配电网变压器运行的安全性及工作寿命，节约配电网建设费用。

参考文献：

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