郭成

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

特約稿件

并聯(lián)電容器串抗選取研究

郭成

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

通過(guò)實(shí)例對(duì)并聯(lián)電容器的諧振的計(jì)算方法、串聯(lián)電抗器選取與電容器諧振等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并指出電容器的串抗率選取還應(yīng)對(duì)所有可能出現(xiàn)的運(yùn)行工部進(jìn)行全面的諧振點(diǎn)分析計(jì)算。

電容器；并聯(lián)諧振；串聯(lián)諧振；串聯(lián)電抗

0 前言

高壓并聯(lián)電容器是電力系統(tǒng)中重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，電容器具有提高系統(tǒng)功率因數(shù)、改善電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)損的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在諧波諧振的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]，這是由于電力系統(tǒng)的諧波阻抗是感性的，而電容器的諧波阻抗是容性的，兩者之間必定存在諧振點(diǎn)。諧振點(diǎn)并不能被消除，避免電容器諧振的技術(shù)措施只能是讓諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離整數(shù)次諧波，最行之有效的方法是串聯(lián)電抗器[2-5]。

在規(guī)范中明確了串聯(lián)電抗器的選取原則。但電容器的諧波諧振事故依然時(shí)有發(fā)生[6-8]。文中首先闡述了電抗器的選取原則，然后分析了依據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》依然有可能產(chǎn)生諧波諧振的原因，最后基于C#開發(fā)環(huán)境在云南電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)上開發(fā)了諧振點(diǎn)掃描計(jì)算程序，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 諧振點(diǎn)計(jì)算方法

1.1 并聯(lián)諧振點(diǎn)

并聯(lián)諧振發(fā)生在電容器RLC支路與等值系統(tǒng)之間，與系統(tǒng)的短路容量具有關(guān)聯(lián)。并聯(lián)電容器的并聯(lián)諧振點(diǎn)可按下式估算：

式中Qx——發(fā)生n次諧波諧振的電容器容量(Mvar)；

Sd——并聯(lián)電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA)；

n——諧波次數(shù)；

K——電抗率。

如果式 (1)成立，則并聯(lián)諧振條件滿足。此時(shí)的n即為并聯(lián)諧振點(diǎn)。

1.2 串聯(lián)諧振點(diǎn)

串聯(lián)諧振發(fā)生在容性電抗和感性電抗相等的串聯(lián)RLC電路內(nèi)，與外部系統(tǒng)聯(lián)系并不緊密。并聯(lián)電容器的串聯(lián)諧振點(diǎn)可按下式估算：

式中XC——電容器組的容抗值；

XL——電容器組串聯(lián)電抗的電抗值；

2 串聯(lián)電抗器選取與電容器諧振

規(guī)范規(guī)定了電容器串聯(lián)電抗器的選擇原則[9]：僅用于限制涌流時(shí)，電抗率宜取0.1%～1%；用于抑制諧波，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測(cè)量值選擇。當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，宜取4.5%～5.0%；當(dāng)諧波為3次以及上時(shí)，宜取12%；宜可采用4.5%～5.0%與12%兩種電抗率混裝方式。

然而在工程實(shí)踐中，套用 《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》依然很有可能發(fā)生電容器諧振問(wèn)題，下面就以兩個(gè)工程算例加以說(shuō)明。

2.1 對(duì)5次背景諧波設(shè)置串抗分析

依據(jù)技術(shù)規(guī)范，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為 5次及以上時(shí)，宜取 4.5%～5.0%。由于串聯(lián)諧振點(diǎn)是由串抗率決定且并聯(lián)諧振次數(shù)總是小于串聯(lián)諧振點(diǎn)，因此，當(dāng)采用4.5%～6%的串抗時(shí)，通過(guò)計(jì)算可知串聯(lián)諧振點(diǎn)大致是落在4.47～4.71之間。從而并聯(lián)諧振點(diǎn)一定是小于4.47，也就不可能落在5次諧波處。從這個(gè)方面來(lái)講，此條規(guī)定是非常合理的。

但此條規(guī)定卻有可能導(dǎo)致3次諧波和4次諧波諧振。例如下面的工程算例：在某35 kV變電站的10 kV側(cè)安裝兩組串抗率為5%的10 MVar電容器組，母線處的短路容量為150 MVA，此時(shí)的電容器諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表1所示，工況1和工況2的并聯(lián)諧波點(diǎn)為2.98次，非常接近3次諧波頻率。

表1 算例1的諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

可見(jiàn)，這種串抗配置方案在此運(yùn)行方式下極有可能發(fā)生3次并聯(lián)諧振，從而存在電容器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，在某種條件下也存在4次并聯(lián)諧振的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 對(duì)3次背景諧波設(shè)置串抗分析

依據(jù)技術(shù)規(guī)范，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次以及上時(shí)，宜取12%；宜可采用4.5%～5%與12%兩種電抗率。

同樣的，由于串聯(lián)諧振點(diǎn)是由串抗率決定且并聯(lián)諧振次數(shù)總是小于串聯(lián)諧振點(diǎn)，當(dāng)采用12%的串抗時(shí)，串聯(lián)諧振點(diǎn)大致是落在2.88處。從而使得諧振點(diǎn)不可能落在3次諧波以上。從這個(gè)方面來(lái)講，此條規(guī)定對(duì)于避免3次諧波諧振是非常合理的。

但是，當(dāng)采用4.5%～5%與12%兩種電抗率時(shí)，會(huì)存在兩個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)，其中一個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)會(huì)在3次諧波以上。比如，當(dāng)同時(shí)投入5%與12%兩種電抗時(shí)，串聯(lián)諧振點(diǎn)在2.88和4.47處，這樣，必定有一個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)是落在 2.88與4.47之間，從而導(dǎo)致4次并聯(lián)諧波諧振。從已有的文獻(xiàn)資料來(lái)看，由于采用4.5%～5%與12%兩種電抗率的配置方式，導(dǎo)致諧波諧振損壞電容器組的情況時(shí)有發(fā)生。

例如下面的工程算例：在某220 kV變電站的35 kV側(cè)安裝兩組串抗率為5%和12%的10 MVar電容器組，母線處的短路容量為720 MVA，此時(shí)的電容器諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表2所示。在工況1和工況3下的并聯(lián)諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果分別是3.98次和4.06次，非常接近4次諧波頻率。

表2 算例2的諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

可見(jiàn)，這種串抗配置方案在此運(yùn)行方式下是存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的，極有可能發(fā)生4次并聯(lián)諧振。

3 串聯(lián)電抗選取的工程實(shí)踐

通過(guò)上述分析可知，在工程實(shí)踐中簡(jiǎn)單機(jī)械地套用 《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》依然會(huì)發(fā)生電容器諧振問(wèn)題，主要是因?yàn)?《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》的初衷是在3次諧波含量較大時(shí)避免發(fā)生3次諧波諧振，在5次諧波含量較大時(shí)發(fā)生5次諧波諧振，但這并不能完全避免4次諧波諧振以和3次諧波諧振情況的發(fā)生。因此在工程實(shí)踐中非常有必要進(jìn)行各種電容器投切方式下的諧振點(diǎn)掃描。對(duì)于有可能產(chǎn)生的諧波諧振問(wèn)題要具體問(wèn)題具體分析，合理調(diào)整串聯(lián)電抗的阻抗。

由此，項(xiàng)目在C#開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了基于云南電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的串聯(lián)電抗器功能模塊，為串抗率選擇的工程實(shí)踐提供了一個(gè)計(jì)算和分析平臺(tái)。開展諧振點(diǎn)計(jì)算，需要輸入的參數(shù)有：短路容量、電容器容量、串抗率以及電容器組數(shù)等參數(shù)。模塊的操作界面如圖1所示，可在相應(yīng)對(duì)話框中輸入所需參數(shù)，另外，軟件還提供了多組電容器投入或退出工況下的諧振點(diǎn)計(jì)算，點(diǎn)擊“點(diǎn)擊添加新參數(shù)組”即可。當(dāng)點(diǎn)擊 “計(jì)算諧振點(diǎn)”即可實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行組的諧振點(diǎn)計(jì)算，目前該模塊已經(jīng)上線運(yùn)行，對(duì)于電容器組的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及事故分析等均具有重要工程參考價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

諧振是并聯(lián)電容器運(yùn)行的固有特性，特別是在諧波水平較高的配電網(wǎng)，必須裝設(shè)串聯(lián)電抗器以避免諧波諧振的發(fā)生。然而依據(jù)現(xiàn)行的串聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)原則，并不能完全避免諧波諧振問(wèn)題。本文通過(guò)計(jì)算實(shí)例分析了產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因，并指出電容器的串抗率選取必須要對(duì)所有可能出現(xiàn)的運(yùn)行工部進(jìn)行全面的諧振點(diǎn)分析計(jì)算。本文最后探討了諧振點(diǎn)計(jì)算的工程實(shí)踐問(wèn)題，基于C#開發(fā)了諧振點(diǎn)掃描計(jì)算程序，并將其集成在云南電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

[1] Ramasamy Natarajan著，徐政，譯.電力電容器 [M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 郭成，魏承志.并聯(lián)電容器諧振的動(dòng)態(tài)特性研究 [J].云南電力技術(shù)，2014，42(1)：9-13.

[3] 楊汾艷，徐柏榆，梅桂華，等.交直流混合電網(wǎng)中變電站電容器組串聯(lián)電抗率選擇 [J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(6)：29-34.

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[9] GB 50227-2008.并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].2008.

Research and Engineering Practice of Series Reactor Selection in Shunt Capacitor

GUO Cheng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Harmonics resonate the inherent characteristics of shunt capacitor.Series reactor is the most effective method for adjusting the resonant point unable to be eliminated，which could adjust the resonant point away from the integer harmonics.However，resonance cannot be completely avoided simply by applying series reactor design principle，which was analyzed through the engineering examples.Finally，all the conditions of resonant point were analyzed for series reactor selection of capacitor in this paper，and the practical engineering problems of resonant point calculation were further discussed.

capacitor；parallel Resonant；series resonant；series reactor

TM74

B

1006-7345(2014)05-0001-03

2014-07-11

郭成 (1978)，男，博士，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，主要從事電能質(zhì)量分析與控制、電力系統(tǒng)分析研究工作 (e-mail)gc325＠126.com。