STATCOM装置在中压加氢6 kV配电室中的应用

王斌

（燕山石化公司 生产运行保障中心，北京 102500）

0 引言

随着石油化工企业不断地增容和技术改造，其配电网中主要负荷如变压器、电动机等感性电力负荷数量不断增加。大量感性负荷的增加必然降低电网电能质量、增加无功损耗、降低功率因数。目前炼油二厂北区6 kV配电室电源由凤凰亭站供电，实测功率因数较低，按照北京电力公司功率因数调整电费管理办法，每月需多缴纳电费，增加了供电成本。另外考虑企业自身对节能降耗的需要，因此必须增加无功补偿装置。

电力电子技术，特别是大功率可关断器件技术的飞速发展，使得静止同步补偿器（（Static（synchronous）Compensator以下简称STATCOM）成为了无功补偿装置的发展方向。STATCOM是用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，与以往调相机、并联电容器、分组投切电容器及可控硅相控电抗器等无功补偿装置相比，STATCOM的调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制（PWM）技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量，并提高系统动态响应时间。

1 STATCOM基本原理

STATCOM主要是由变流装置来实现产生无功功率的，即由系统通过连接电抗器和变流器整流后向电容器充电，同时在电容器上的直流电压通过变流器逆变成三相交流。改变变流器中电力电子器件阀门上的脉冲的同步时间，就可以控制逆变后的输出电压与系统电压间的相角差。如果系统电压领先与装置的电压，系统向STATCOM装置中的电容充电，使电容器上的电压提高，因此通过逆变器输出的电压高于系统电压，形成STATCOM向系统输送无功功率。反之，触发脉冲使逆变电压领先于系统电压，电容器则用电压降低输出电能，于是STATCOM将处于吸收无功功率的状态下，两种情况都会在系统提供的功率与STATCOM消耗的功率平衡而终止，如图1 所示［1］。

下面就STATCOM链式拓扑结构的原理、特点进行讨论，以期对今后STATCOM装置的选型有一定的借鉴作用。

图1 STATCOM基本原理图

2 链式拓扑结构的简介

链式STATCOM的主电路核心部分是链式结构［2］的电压源逆变器，每一相都是一个独立的链，由N个结构完全相同的基本单元也就是链节串联而成，每个链节是一个可输出3电平的单相桥式电压源逆变器，包括一个直流电容器作为电压源、与其相连的四个可关断器件及相应的反并联续流二极管。通过对可关断器件进行适当的开关控制，每个链节输出电压可以为+U、－U或0（将电容器旁路），N个链节串联就能得到包括（2N+1）级的阶梯电压波形。电路基本结构和输出电压示意如图2、图3、图4所示。通过调节每个链节的控制角α从而改变输出电压波形宽度，可以使叠加后的阶梯波非常接近正弦波形。三个独立的链其两端分别连接一个空心电抗器后经过Δ接或Y接就构成了三相链式逆变器，这种接线方式允许三个单相逆变器实现分相控制。通过控制链式STATCOM输出电压的幅值和相角，可以控制链式STATCOM与交流系统之间交换无功电流的大小和方向，从而实现无功功率和母线电压的有效控制，提供系统的运行稳定性。

图2 链节基本结构及电压波形

图3 单相链式电路

图4 单相链式电路（3个链节）输出电压

3 链式结构的STATCOM具有以下特性

（1）所有链节的结构完全相同，可以实现模块化设计。通过简单的增加链节就可以提高装置的容量，换流器的成本与容量成比例;

（2）链式STATCOM可以独立分相控制，有利于解决系统的相间平衡问题，在系统受到扰动时，更好的提供电压支撑;

（3）可关断器件在每个周期内只开通、关断一次，采用低损吸收电路，将损耗降到最小;

（4）动态响应速度快，响应时间小于20 ms。运行范围大，当电网电压波动时，STATCOM可以提供恒定的最大无功电流。

（5）每相电路中设有1～2个冗余链节，提高了装置的可靠性;

（6）避免了因开关器件直接串并联使用而产生的问题和限值;

（7）在交流系统平衡和不平衡的状态下，链式STATCOM的谐波特性好，逆变器产生的谐波可以忽略，不需要滤波器。

4 补偿容量确定与主要参数选择

4.1 目前系统状况

中压加氢6 kV配电室两路进线来着凤凰亭站，正常情况下采用单母线分段运行。所带负载以大功率电动机和变压器为主。功率因数较低，现场测量在0.75左右。基本负荷如表1。

表1 中压加氢配电室负荷统计表

4.2 补偿容量的确定

功率因数由0.823提供到0.92需要补偿的无功功率为:

中压加氢一602（Ⅱ段）

中压加氢一602段，根据所给电能统计数据可得:

有功功率:

功率因数由0.823提供到0.92需要补偿的无功功率为:

根据系统现状及可能出现的运行方式，考率留有一定的裕度，最终确定每段补偿容量1 800 kvar。

设补偿后功率因数目标值为0.92计算如下:

中压加氢二601 （Ⅰ段）

有功功率:

4.3 根据系统现状确定STATCOM装置基本参数

主电路采用12个H桥级联构成的链式拓扑结构，额定电压6 kV，额定容量 ±1.8 Mvar。IGBT功率器件采用优派克的FF200R17KE3（200 A/1 700 V），开关频率为250 Hz，SPWM 载波移相控制，单极倍频方式，系统交流侧输出等效频率为6 kHz。主电路采用三角型连接，连接电抗14%，每相6只电抗（4.4 mH/100 A）组成，分布于6层功率间隔。

4.4 根据装置基本参数确定STATCOM主要元器件参数

对于STATCOM而言比较重要的参数应包括等值电抗（或等值电感）、等值电阻（代表损耗）及直流侧电容参数［3］。

4.4.1 等值电抗

忽略装置损耗，当STATCOM发出额定容量的无功时，逆变器输出电压标幺值为V*1=1+V*L，当STATCOM吸收额定容量的无功时，逆变器输出电压标幺值为V*1=1－V*L，因此感抗标幺值表征了输出电压的变化范围。连接电抗值越大，逆变器设计容量越大，导致装置成本增加。但是连接电抗也不能太小，其作用体现在两个方面:一是限制短路电流，二是抑制电流谐波。感抗标幺值选择范围一般是10%～20%，一般可取15%左右。因此每相阀共串联6只4.4 mH的连接电抗。则等效阻抗ZL、系统等效阻抗ZS、感抗标幺值分别ZL/ZS为:

即串联了13.816%的电抗。

4.4.2 等值电阻

其代表了阀体的等效串联阻抗，其电阻标幺值等于装置损耗的标幺值。链式STATCOM损耗很小，仅为装置容量的0.5% ～1.5%。

4.4.3 等值电容

对于链式STATCOM，因为无功不会影响直流电容电压的大小，只会引起直流电容上电压的二倍频波动，可以发出或吸收最大无功情况下进行直流电容参数设计。根据每段补偿容量及IGBT的固有参数，选择每个模块的输出容量为55 kVA，模块的直流电压平均值1 000 V，额定输出电压550 V，最高输出电压690 V，额定相电流100 A，1.2倍电流120 A。允许直流电压波动±50 V，则可取ΔUdc=100 V。在T/2内，直流侧电容电压变化最大，链节直流电压主要受无功功率波动影响，设q=Q×sin2ωt则:

考虑到一定的裕量及电容固有参数，电容选取2 000 μF，额定直流电压1 200 V。

5 应用效果

5.1 电气系统方面

为了保证装置的整体性能，在成套装置出厂前，需要进行控制系统闭环测试试验［4－5］。图5为链式STATCOM在低压500 V下的发出容性无功电流（2.5 A）的AB相电压电流测试波形。从图5中可以看出，电流超前于电压90°，输出电压波形良好，输出电压THD仅为2.71%，远远低于国家要求水平。

5.2 降低线路损耗方面

图5 链式STATCOM闭环测试波形及电压THD分相

加装STATCOM装置后，功率因数由0.75提高到0.92，因P=UIcosφ，负荷电流I与 cosφ成反比，且PL=I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。因此，当负荷的功率因数从 cosφ1=0.75 提高到 cosφ2=0.92 时，电网元件中功率损耗将减小的百分数为ΔPL%，计算如下［6］:

设PL1为补偿前电路线损，PL2为补偿后电路线损，R为中压加氢进线电缆直径240 mm2两根并联，长1 000 m。查表2得电阻 0.094 Ω。

表2 功率因数调整电费表

潜在节约电费约108万元/年。

5.3 经济效益方面

由现场实测功率因数在0.92以上，不但避免了供电局对功率因数低的考核，且根据北京电力公司《功率因数调整电费管理办法》，每年由提高功率因数节约的费用计算如下:

中压加氢6 kV配电室2008年平均每月用电量601段:1 520 726 kWh，602 段:513 859 kWh。工业用户电费 0.599 5 元/kWh。

6 结束语

石化企业由于自身生产性质的特点，所带负荷以较大容量异步电动机及低负荷变压器为主，较大容量的无功功率必然造成自然功率因数较低。由现场实测数据来看投用STATCOM装置后，中压加氢配电室功率因数均在0.9以上，大大降低了供电成本。而且由于中压加氢配电室所带异步电动机容量较大，当电动机起动时，中压加氢6 kV配电室配套的链式STATCOM装置输出电压波形好，波形及电压THD含量测量看不但具有较强的动态无功补偿能力，而且谐波含量低，具有较好的电能质量治理效果。从经济效益方面节约潜在的电费也是相当可观的。随着大功率电力电子元件性能不断提高、价格不断降低、国产STATCOM装置工程应用实例经验的不断积累及企业自身节能降耗的需求，STATCOM装置必将在石化企业得到广泛的应用。

［1］刘文华，姜齐荣.±20 Mvar STATCOM总体设计［J］.电力系统自动化，2000，24（23）:14 －18.

［2］丁留宝，张俊芳，陈劲超.几种典型大容量静止无功发生器主电路的分析［J］.电源世界，2007，10（7）:17 －21.

［3］王仲鸿，姜齐荣，沈东.关于新型静止无功发生器模型参数及暂态控制模型选择的讨论［J］.电力系统自动化，1999，23（24）:43 －45.

［4］杨晓楠.链式静止同步补偿器IGCT阀试验方法的研究［D］.北京:中国电力科学研究院，2005.

［5］俞霖，孙玉坤.一种用于三相PFC，APF和STATCOM的通用矢量控制器［J］.电气自动化，2009，31（1）:72 －75.

［6］李如虎.提高功率因数 降低电能损耗［J］.广西电力技术:1999，22（2）:57－58.