配电静止同步补偿器(DSTATCOM)
1 成果简介
STATCOM(STATic synchronous COMpensator 的缩写,即静止同步补偿器)是柔性交流输电技术(Flexible AC Transmission System,简称FACTS)的主要装置之一,它代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。
STATCOM 能够快速连续地提供容性和感性无功功率,实现适当的电压和无功功率控制,保障电力系统稳定、高效、优质地运行。迄今为止,国际上已经投入电力运行的STATCOM 来自5 个国家:中国(清华大学FACTS 研究所)、德国(Siemens 公司)、瑞典(ABB 公司)、英国(Alstom 公司)、日本(Toshiba 和Mitsubishi 公司)。由清华大学FACTS研究所与河南省电力公司合作研制的一台± 20MVar 的STATCOM 已于1999 年在河南
洛阳投入运行;目前,一台±50MVar 的STATCOM 正在研制中,将在上海500kV 电网投运。
在配电网中,将中小容量的STATCOM 安装在某些特殊负荷(如电弧炉)附近,可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量,例如提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等等。这种在配电网中用来提高电能质量的STATCOM 一般称为DSTATCOM。
2 技术指标
(1) 配电静止同步补偿器
DSTATCOM的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器并联或者直接并联在电网上, 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 实现动态无功补偿的目的。
(3)DSTATCOM 模块技术参数
3 应用说明
电能质量的高低直接影响到工矿企业的经济效益。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性负荷和大容量电动机的工业领域,均需要采取DSTATCOM以提高电能质量。以钢铁冶金公司为例,目前,大多数钢铁公司采用了交流电弧炉,而且电弧炉的单台容量越来越大,很多都已超过100t。电弧
炉耗电量大,且功率因数低,其运行特性决定了它会对供电造成很大的冲击,会引起配电网电压闪变、电
压波动、三相不平衡和高次谐波等严重的电能质量问题。电弧炉引发的电能质量下降不仅直接影响到钢铁公司自身的经济效益、产品质量和设备安全,还影响到周边企业用电和用户照明。为了提高电能质量,国内外很多
钢铁公司采用了无功补偿装置。上世纪70 年代,静止无功补偿器(SVC)技术逐渐成熟,并广泛应用于各
种工业场合,也被广泛应用于钢铁冶金企业,对电弧炉进行补偿,并得到了良好的补偿效果和显著的经济效益。随着用户对产品品质要求的不断提高,和钢铁公司对利润的更大追求,SVC 的性能已经不能满足人们对电能质量越来越严格的要求。作为SVC 的换代产品,DSTATCOM 这种高性能的新型无功补偿装置技术日趋成熟,并在全球范围内的钢铁公司得到应用。
(1)DSTATCOM 较SVC 的优势
(1.1)响应极为迅速:
DSTATCOM 响应时间: ≤10ms
传统静补装置响应时间: 20~40ms
DSTATCOM 从额定容性无功功率变为额定感性无功功率(或相反)可在
1ms 之内完成,这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。
(1.2)电压闪变抑制能力倍增
SVC 对电压闪变的抑制最大可以达到2:1,DSTATCOM 对电压闪变的抑制很容易达到4:1 甚至5:1。
SVC 受到响应速度的限制,即使增大装置的容量,其抑制电压闪变的能力不会增加;而DSTATCOM 不受响应速度的限制,增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
下图为瑞典Uddeholm Tooling钢铁公司在DSTATCOM投入运行前后实际采集的电压闪变数据。从图中可以看出,DSTATCOM 投入运行之后,电压闪变降低了近5 倍。
(1.3)运行范围更宽
DSTATCOM 通过直接调节无功电流实现无功功率补偿,SVC 通过调节等值阻抗实现无功功率补偿。DSTATCOM发出的无功电流基本不受系统电压高低的影响,而SVC 发出的无功电流与系统电压成比例。DSTATCOM 发出的无功功率与系统电压成正比,SVC 发出的无功功率与系统电压的平方成正比。因此当系统电压降低时,DSTATCOM 发出的无功功率呈线性规律下降,而SVC 发出的无功功率呈二次指数规律下降。
(1.4)能够在一定范围内提供有功功率
DSTATCOM能够在一定范围内提供有功功率,减少有功功率冲击。SVC 只能提供无功功率,不具备提供有功功率
的功能。
DSTATCOM能够减少电压脉动,提高平均馈电电压,这对提高炼钢效率和质量非常有利。
(1.5)谐波含量很低
DSTATCOM 采用了高频脉宽调制(PWM)技术或者多电平技术,不仅自身产生的谐波含量很低,而且可以在一定程度上削弱负荷产生的谐波。SVC本身是一个很大的谐波源,它对系统的影响大小,取决于与其匹配安装的滤波器的性能。
(1.6)噪声降低
DSTATCOM 中电容、电感等元件采用了与SVC 完全不同的技术和制作工艺,运行过程中电磁噪声显著降低。
(1.7)占地面积减半
由于无需高压大容量的储能元件(如电容器和电抗器),故DSTATCOM的占地面积通常只有相同容量的SVC 的50%。
(1.8)功率损耗低,节电效果显著
DSTATCOM未投DSTATCOM
电压
有功功
在SVC 中,电抗器的功耗约占装置总功耗的一半。而DSTATCOM 无需大容量的电抗器作为储能元件,功耗大大降低。DSTATCOM 的功率损耗比同容量的SVC 至少低2 个百分点。
4 效益分析
DSTATCOM 能够有效改善配电网的电能质量,可以为配电网中的厂矿用户带来可观的经济效益。以瑞典Uddeholm Tooling 钢铁公司的DSTATCOM 项目为例,该钢厂有一台66 吨的电弧炉,额定功率31.5MVA,过载能力20%;一台精炼炉,额定功率6MVA,过载能力30%。两座电炉均由132kV 线路通过132kV/10.5kV 变压器供电。未安装DSTATCOM 前,该钢厂是配电网中一个大的电能质量污染源,其负荷造成的电压跌落、闪变等问题,既影响周围的用户,又影响自己的生产。在其10.5kV 供电母线安装一套+22MVA 的DSTATCOM 设备后,钢厂的各项指标变化如下:
从上表可以看出,安装DSTATCOM装置后,对于该钢铁厂而言,至少可以带来三方面的收益。首先是该钢厂的供电接入点的电能质量有了很大改善,可以达到供电部门对于电力用户的要求,避免了供电部门的罚款;其次,大型设备(电弧炉和精炼炉)的运行效率有了很大提高,单位时间的产出量增加;再次,由于功率因数和电压质量的提高,单位产量的耗电量和电弧炉电极的消耗量都有明显下降,降低了生产成本。综合而言,DSTATCOM 装置的经济效益非常明显。以年产量60 万吨计算,该台DSTATCOM 的安装每年可以节约电弧炉电极10 万公斤以上,每年节电可达1500 万度,再加上增产效益和节省的罚款,直接经济效益可以达到2000 万元以上。此外,DSTATCOM 削弱了谐波和负序电流对电气设备的危害,抑制了电压闪变对周边企业生产和照明的影响,具有显著的社会效益。
5 合作方式
面议。