静止同步补偿器D-STATCOM.pdf

Q N 4 0 0 A 型 静止同步补偿器 D-S T A T C O M 北京宾德森系统工程有限责任公司 目 录 1.概述-1 2.D-S T A T C O M 的定义-2 3.电能质量对用电设备的影响-2 4.D-S T A T C O M 的特点-3 5.D-S T A T C O M 的优势-3 6.使用 D-S T A T C O M 实现的经济效益-5 7.Q N 4 0 0 A 型D-S T A T C O M 装置-5 8.技术数据-6 9.机械结构-6 附录 1:产品系列型号表-6 1 1.概述 本产品是北京宾德森系统工程有限责任公司和清华大学电机系联合开发的高科技产品，目前在国内外都处于领先地位。本产品是应用柔性交流输电技术（F l e x i b l e A C T r a n s m i s s i o n S y s t e m，简称 F A C T S）解决传统的无功补偿和常规的滤波装置不能有效地解决动态电能质量问题。本产品适用于 4 0 0 V 以下配电系统，替代常规的无功补偿和滤除高次谐波装置，现在已被广泛的应用在石油、化工、电力、冶金、造纸、饮料等行业，也被广泛应用在楼宇、建筑、民宅、商场、餐饮等服务设施。主要特点：?可替代原来的电力补偿设备；?保护了现有的电力设备；?延长了电机、变频器等电力设备的寿命；?与原来的补偿设备相比，降低了电能的消耗各 种 电 力 补 偿 装 置 性 能 比 较 表：电容器组 调谐电抗电容器组 谐波滤波器 电容器单体 加装限流电抗器 一般 T S C 无源滤波器 有源滤波器 S V C S T A T C O M 补偿无功 可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 补偿无功响应时间 2 0 4 0 m s 1 m s 稳定电压 可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 避免涌流 不可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 避免谐振 不可以 不可以 可以 可以 可以 可以 可以 可以 滤除谐波 不可以 不可以 滤除一小部分 滤除一小部分 可以 可以 可以 可以 抑制电压闪变 不可以 不可以 不可以 效果不明显 不可以 可以 可以 能力强 改善三相不平衡 不可以 不可以 不可以 可以 不可以 可以 可以 可以 补偿快速变化无功 不可以 不可以 不可以 可以 不可以 可以 可以 可以 提供一定有功功率 不可以 不可以 不可以 不可以 不可以 不可以 不可以 可以 2.D-S T A T C O M 的 定 义 2 S T A T C O M（S T A T i c s y n c h r o n o u s C O M p e n s a t o r 的缩写，即静止同步补偿器）是柔性交流输电技术（F l e x i b l e A C T r a n s m i s s i o n S y s t e m，简称 F A C T S）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。在配电网中，将中小容量的 S T A T C O M 安装在某些特殊负荷（如电弧炉、地铁等冲击性和整流性负荷等）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、抑制谐波污染等等。这种在配电网中用于提高电能质量的 S T A T C O M 一般称之为 D-S T A T C O M。3.电 能 质 量 对 用 电 设 备 的 影 响 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的，近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更高更新的要求。一个计算中心失去电源 2 s 就可能破坏几十小时的数据处理结果而造成上百万元的经济损失。大型生产企业 0.1 s 的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容许度可严格到只有 1 2 周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危害和所造成的损失经常被人们所提及，而计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电能质量问题。目前我国国家配电网和用户配电网中存在低功率因数和谐波污染问题。大量无功电流在电网中的流动会导致线路损耗增大，变压器利用率降低，用电户电压跌落严重。谐波污染则会使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对公用电网和其他系统的危害大致由以下几个方面：1 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。2 影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。3 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使谐波危害大大增加，甚至引起严重事故。4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作、测量仪表计量不准确。5 谐波对临近的 D C S 或 P L C 通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。4.D-S T A T C O M 的 特 点 3 为更有效的提高电能质量，北京宾德森系统工程有限责任公司和清华大学电机系联合 开发的作为 F A C T S (基于电力电子技术的灵活交流输电系统)技术与配电系统应用的延伸配 电系统用静止同步补偿器(D-S T A T C O M )已成为改善电能质量的有力工具。该技术的核心器 件 I G B T，它比 G T O 具有更快的开关频率，并且关断容量已达到一定规模，因此 D F A C T S 装 置具有更快的响应特性。对于稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决;但对于动态电能质量问题,依靠传统的无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决,因为诸如电压跌落(s a g s)、浪涌(s u r g e)、电压脉冲(i m p u l s e)与瞬时供电中断(o u t a g e)这类电能质量问题持续的时间很短、变化很快,并且有的电能质量问题还伴随着部分甚至全部的有功损失等情形。D-S T A T C O M 在 S V C 装置基础上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在电压低时，无法提供所需的无功支持，应付突发事件的能力较弱；而且占地面积大，过多的 S V C 易引发系统振荡的弊端，S T A T C O M 的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定,在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节，使得其无功输出相当于同容量 S V C 的 1.4 2 倍；因 S T A T C O M 的灵活调压，还可以大大减少变压器分接头的切换次数，从而减少分接头故障次数。另外，D-S T A T C O M 还可以抑制电压闪变,提高系统暂态稳定水平,结合我国的国情和已有的技术,发展 D-S T A T C O M 应是解决我国电压稳定问题的有效手段,并且也是 D F A C T S 技术发展的主要方向。5.D-S T A T C O M 的优势 D-S T A T C O M 与传统的静止无功补偿器 S V C 相比，存在很多优势，主要表现在：5.1、响应更加迅速 D-S T A T C O M 的响应时间：1 0 m s 传统静止无功补偿装置 S V C 响应时间：2 0 4 0 m s D-S T A T C O M 从额定容性无功功率转变为额定感性无功功率（或反之）只要不到 1 m s 的时间即可完成，这种极其快速的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。5.2、电压闪变抑制更强 S V C 对电压闪变的抑制最大可以达到 2:1，而 D-S T A T C O M 则可以很容易的达到 4:1 甚至5:1，电压闪变抑制的能力成倍增强了。目前冶金和钢厂等仍普遍使用 S V C，而应用S T A T C O M将是今后技术前进的方向。S V C 收到响应速度的限制，即使增大装置的容量，其抑制电压闪变的能力也不会增加；而 D-S T A T C O M 则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。5.3、运行范围更宽 4 D-S T A T C O M 通过直接调节无功电流实现无功功率补偿，S V C 则是通过调节等值阻抗实现无功功率补偿。因而D-S T A T C O M 发出的无功电流基本不受系统电压高低的影响，而 S V C 发出的无功电流则会与系统电压成正比。同时，D-S T A T C O M 发出的无功功率与系统电压成正比，S V C 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，D-S T A T C O M 发出的无功功率呈线性规律下降，而S V C 发出的无功功率呈二次指数规律下降。所以说，D-S T A T C O M 相比 S V C 而言，有着更加宽广的运行范围。5.4、能够在一定范围内提供有功功率 D-S T A T C O M 能够在一定范围内提供有功功率，减少有功功率冲击。S V C 只能提供无功功率，不具备提供有功功率的功能。另外，D-S T A T C O M 还能够减少电压，提高平均馈电电压。5.5、滤除高次谐波能力强 D-S T A T C O M 采用了高频脉宽调制（P W M）技术或者多电平技术，不仅自身产生的谐波含量很低，而且还可以削弱负荷产生的谐波。而 S V C 本身就是一个很大的谐波波源，它对系统的影响大小，要取决于与其匹配安装的滤波器的性能。下图所示为 D-S T A T C O M 投入电网前后电网电流的波形比较。可以看出，投入 D-S T A T C O M 后，电网谐波明显减少。5.6、电磁噪声显著降低 D-S T A T C O M 中的电容、电感等元件采用了与 S V C 完全不同的技术和制作工艺，运行过程中的电磁噪声被显著降低了。5.7、设备占地面积显著减少 由于不需要高压大容量的储能元件（如电容器和电抗器），所以 D-S T A T C O M 的占地面积通常只有相同容量的 S V C 的 5 0 不到。5.8、功率损耗低，节电效果显著 投入 D-STATCOM 5 在 S V C 中，电抗器的功耗约占装置总功耗的一半左右。而 D-S T A T C O M 不需要大容量的电容器或电抗器作为储能元件，功耗大大降低。一般来说，D-S T A T C O M 的功率损耗比同容量的S V C 至少要低 2。6.使用 D-S T A T C O M 实现的经济效益 D-S T A T C O M 能够有效改善配电网的电能质量，可以为配电网中的用户带来极其可观的经济效益。下表某钢厂为安装 D-S T A T C O M 设备后各项指标：电压闪变减少倍数 3 5 补偿后公共连接点处电压闪变水平 P s t（9 5%）1 电极消耗减少 0.2 7 k g/吨（1 1）耗电减少 2 5 度/吨（4）单炉冶炼时间减少 1 8 分钟（1 4.5）从上表可以看出，安装 D-S T A T C O M 装置后，对钢厂而言，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（电弧炉和精炼炉等）的运行效率有了很大提高，单位时间的产出量增加了；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的消耗量都有明显下降，降低了生产成本。综合而言，D-S T A T C O M 装置的经济效益非常明显。以年产量 6 0 万吨计算，该台D-S T A T C O M 的安装每年都可以节约电弧炉电极 1 0 0 吨以上，每年节电可达 1 5 0 0 万度，再加上增产效益和节省的罚款，直接的经济效益可以达到 2 0 0 0 万元以上。此外，D-S T A T C O M 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。7.Q N 4 0 0 A 型 D-S T A T C O M 装 置 7.1 Q N 4 0 0 A 型 D-S T A T C O M 装置简介 Q N 4 0 0 A 型 D-S T A T C O M（配电网静止同步补偿器）装置以双数字信号处理器（D S P）为核心，通过电抗器将自换相桥式电路并联在电网上，采用实时数据采集技术和动态跟踪技术，不断监测电网和系统的电压、电流，在快速连续的补偿调整系统无功功率的同时，还可以显著地改善负荷与公共电网连接点处的电能质量，提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑制谐波污染，等等。7.2 主要特点及功能 6 1)动态补偿电网无功功率，暂态响应时间小于 1 m s；2)动态补偿 3 6 0 次电流谐波；3)可以瞬间提供一定有功功率，补偿电网电压跌落和闪变；4)并网后可以自动运行，不需要人员操作；5)中文图形液晶显示，人机界面清晰友好；6)具有完善的自诊断和监视功能，对故障可具体定位，方便调试；7)具有完善的软硬件看门狗，保证装置可靠运行；8)具有完善的在线运行状态监视功能；9)准确测量并显示系统当前的各个状态量；8.技 术 数 据 额定并网电压：3 8 0 V A C；装置额定容量：2 0 k V a r/6 0 k V a r /1 6 0 k V a r /3 0 0 k V a r；主功率电路构成方式：I P M 模块、I G B T 六管结构、I G B T 双管结构或 I G B T 单管结构 9.机 械 结 构 本装置采用 3 U 金属机箱壁挂式结构，四面为铝合金/镀锌薄板，上下为金属网，背面板分为单块各自固定在插件上，所有的外接线端子从背面板引出，操作面板、显示屏、电源开关和状态指示灯分布于前面板。附 录 1：产 品 系 列 型 号 表 产品型号 电压等级（V A C）额定容量（k V a r）主电路结构 Q N 4 0 0 A-2 0 3 8 0 2 0 I P M 模块 Q N 4 0 0 A-6 0 3 8 0 6 0 I G B T 六管 Q N 4 0 0 A-1 6 0 3 8 0 1 6 0 I G B T 双管 Q N 4 0 0 A-3 0 0 3 8 0 3 0 0 I G B T 单管