并聯電容器串抗率的選擇方法研究

鄔光耀 徐永海 洪旺松

（新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京102206）

0 引言

選擇并聯電容器對電網進行無功補償，既可以提高系統的功率因數，又可以使電網運行的穩定性和安全性得以保證。但是電容器投入電網之后可能會使系統內的諧波得以放大甚至產生諧振，使系統和設備的安全運行受到嚴重的威脅［1］。為避免系統內的諧波放大，需要選擇一定電抗率的電抗器串聯在電容器回路中來抑制諧波。一般情況下，通常選擇0.1%～l%電抗率的電抗器串聯在電容器回路來抑制電容器裝置合閘時產生的涌流問題。因而電抗率的選取應當謹慎，且需要考慮多種因素才可以使諧波放大甚至諧振問題得到很好的抑制和解決。

1 并聯電容器與諧波的相互影響

如圖1所示，電流源是系統內主要的諧波源，Ich、Ih和Ish分別是流入電容器、諧波源流出及注入系統內的h次諧波電流。其中Xs是系統的基波感抗，hXs是h次諧波感抗；XC是電容器的基波容抗，XC／h是h次諧波容抗；XL是串聯電抗器的基波感抗，hXL是h次諧波感抗。

圖1 系統簡化電路及諧波等效電路

設串聯在電容器支路電抗器的電抗率為K＝XL／XC，則：

發生串聯諧振時，諧波電流全部流入電容器，會導致電容器發熱甚至損壞，所以在選擇電抗率的時候，應選取K＝XL／XC＞1／h2。

2 串抗率的選擇方法

2.1 串抗率的選擇需要考慮的因素

（1）選擇串抗率時應充分考慮電容器安裝位置處的背景諧波情況［1］，對于新建變電站，可以結合負荷和電網接入情況，分析電容器安裝位置處的背景諧波。（2）變壓器飽和時會影響系統阻抗大小和諧波水平，然而傳統電抗率選擇時未充分考慮該因素的影響，致使在某些情況下電容器出現故障［2］。（3）除了變壓器飽和程度對電容器串抗率的選擇有影響外，不同串抗率的串入及不同組數電容器的投切都會對其產生影響［2］。因為投切電容器的組數不同時，等效阻抗也不一樣；電容器組的串抗率選擇不同時，電容器支路的串聯諧振頻率將得到改變。（4）母線短路容量、系統運行電壓變化范圍、諧波源特性及其分布狀況、系統諧波阻抗特性都對電抗率的選擇產生影響［3］。（5）針對三繞組變壓器，若諧波源在中壓側，并聯電容器組在低壓側，選擇串抗率時需要考慮第三繞組的影響。（6）如果系統中串有限流電抗器，在考慮電容器組的串抗率時應該將其等效考慮在內［4］，防止由于選擇不合理的串抗率而導致諧波放大甚至諧振現象的出現。

2.2 國內現有并聯電容器設計規范分析

GB50227—1995《并聯電容器裝置設計規范》中規定電抗率選取應按如下考慮：（1）當系統中諧波以3次及以上為主時，電抗率可選擇全部采用12%電抗率或采用4.5%～6%與12%2種電抗率的組合。如果電容器的組數較多，可以進行2種電抗率的組合，這樣既可以節省投資，也可以減小電抗器消耗的容性無功。（2）當系統中諧波以5次及以上為主時，串聯電抗率可以選擇為4.5%～6%。因為3次諧波在6%電抗率下會有明顯的放大，因而可以選擇4.5%的電抗器，這樣既可以保證對3次諧波的放大程度不超過規定值，又可以抑制5次及以上各次諧波。

GB50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》中規定電抗率可按如下取值：（1）選擇電抗率為0.1%～1.0%的電抗器可以用于限制合閘涌流。（2）當系統的諧波需要得到抑制的時候，應在電容器支路串聯一定電抗率的電抗器，而電抗率的選取需要根據系統實測的諧波情況進行選取。當系統以3次及以上諧波為主時，電抗率可取12%或4.5%～5%與12%2種電抗率的組合；當系統諧波以5次及以上為主時，可以選擇4.5%～5%電抗率。

通過對上述2個標準的介紹可以看出：（1）上述2個規范對串抗率的選擇較簡單，實際可操作性較差，可作為一般的指導性原則；（2）在系統諧波較低的情況下，可以選擇0.1%～1%串抗率來限制合閘涌流，但是并沒有對3次諧波含量多大時需要進行諧波放大的驗證分析給出一定的建議；（3）在限制5次及以上各次諧波時，GB50227—1995《并聯電容器裝置設計規范》中給出串抗率可以選擇4.5%～6%，而GB50227—2008《并聯電容器裝置設計規范》中給出可以選擇4.5%～5%，但并沒有給出必要的解釋說明為什么不宜選取6%串抗率。

對于5%和6%電抗率選擇的優劣，有文獻專門從3次諧波放大倍數、經濟性以及諧振容量3個方面進行了比較，建議選擇5%電抗率。在電容器中串聯電抗器，既可以濾除諧波，又可以使電容器得到保護。在諧波含量較大的應用場合，從保護電容器角度考慮，并不希望電容器中通過過多的電流，以免電容器因過流而損壞，此時針對5次諧波，可能選擇較大的電抗率（6%）更合適。因此，是否選擇6%電抗率，還應具體問題具體分析。目前，我國實際系統中很多串聯6%電抗率的電容器組運行狀況較好。

2.3 電抗率的工程選擇方法

選擇電抗率時應充分考慮2.1節中所提及的各種因素。結合文獻［1］及文獻［3～8］，本文給出如下電抗率選擇方法：（1）選擇0.1%～1%電抗率的電抗器可以用于限制合閘涌流。（2）選擇串抗率時，需要對特定次諧波是否放大進行驗算。如選擇0.1%～1%串抗率時，應對5、7次諧波是否放大進行驗算；選擇4.5%～5%串抗率時，應對3次諧波是否放大進行驗算。（3）當電網諧波中主要含有3次時：當3次諧波含量較小時（如不超過規定值的0.4倍），可選擇0.5%～1%串抗率；當3次諧波含量較小時（如超過規定值的0.4倍但小于規定值），考慮到經濟性可選擇4.5%～5%串抗率，但保證電容器投入后不致引起3次諧波放大或超標；當3次諧波含量較大（已經超過或接近規定值）時，可選擇12%串抗率來抑制諧波。（4）當電網諧波中主要含有3、5次時：當電網諧波中3次較小（如不超過規定值的0.4倍）、5次諧波含量較大且超過規定值時，串抗率可以選擇4.5%～5%；當電網諧波中3次較大（如超過規定值的0.4倍但小于規定值）、5次諧波含量較小時，在保證電容器投入后不致引起3次諧波放大或超標的情況下串抗率可以選擇0.5%～1%；當電網諧波中3次較大（如超過規定值的0.4倍但小于規定值）、5次諧波含量也較大時，在保證電容器投入后不致引起3次諧波放大或超標的情況下串抗率可以選擇4.5%～5%；當3次較大且已超過或接近規定值而5次較小時，串抗率可以選擇12%或12%與4.5%～5%2種串抗率的組合；當電網諧波中3、5次均較大且已超過或接近規定值時，串抗率可以選擇12%與4.5%～5%2種串抗率的組合。（5）當電網諧波中主要含有5次及以上時：當電網諧波中5次較小時，串抗率應選擇為4.5%～5%；當電網諧波中5次較大時，可以選擇4.5%串抗率來抑制5次諧波，當電容器側存在諧波源時，串抗率選擇為5%，當變壓器高壓側（針對于雙繞組變壓器）有諧波源時，串抗率可選擇為4.5%。（6）當系統中無諧波源時，為防止由于補償無功過多使得電容器兩端電壓升高以及電容器組投切時產生過電壓的情況發生，串抗率可選擇為0.5%～1%。（7）當電網的背景諧波未知時，阻尼式限流器可以串聯在電容器回路中，且限流器中的串抗器的額定電流需要確定。

3 不同串抗率下電容器組數的確定

在上述方案中，存在2種串抗率混裝的情況。此種情況下，需考慮不同串抗率電容器組數的確定問題。圖2為電流分布示意圖，其中共有m組電容器支路，在h次諧波下所串電抗的感抗值分別為hX1L…hXmL，其中高串抗率（通常為12%）的電容器組有p組，低串抗率（通常為4.5%～5%）的電容器組有m－p組，每組電容器容量相同為Q0。

假設圖2中系統以3、5、7次諧波為主，其中XLg和XLd分別是電容器支路中高、低串抗率電抗，此時m組電容器支路的阻抗和為X∑：

圖2 電流分布示意圖

將允許注入系統的3次諧波電流的限值帶入式（4），可以得到X∑ 的值，再將X∑ 帶入式（3），可以推出p值為多少，若p不為整數，則根據電容器分組原則進行修改。

根據上述內容，已可以初步選擇合適的串抗率，也已經可以確定高低串抗率各占多少組。但能否達到補償要求，還需進行驗證才能確定，如果不滿足補償要求，仍需要進行修改。

約束條件為：設注入系統各次諧波允許最大值分別為Imh（h≥2），只要電容器組投切后注入系統后各次諧波電流均不超過規定值，即Ish≤Imh（h≥2），則該組數分配可以接受；若不滿足，則要根據電容器分組的原則進行修改。

將各個參數帶入式（3），可以求出X∑，再將X∑ 帶入式（4），可以得到注入系統的各次諧波電流，然后判斷是否滿足約束條件。若滿足，則該組數分配可以接受；若不滿足，則要根據電容器分組的原則進行修改。

4 結語

本文總結了國內現有的串抗率的選擇方法，首先對電容器對諧波放大的機理進行了分析，然后介紹了串抗率的選擇方法、不同串抗率下電容器組數的確定問題：（1）串抗率選擇不當，很可能導致諧波放大，因而需要綜合考慮多種因素來選擇合適的串抗率；（2）現有的規范對串抗率的選取有一定的指導意義，但仍存在不足；（3）若有不同串抗率的電容器混裝，可依第3小節中的方法進行合理配置來更好地抑制諧波。希望筆者所總結出的方法能夠更好地指導實際工程人員選擇串抗率，減少事故發生。

［1］易春芳.并聯電容器諧波放大分析與電容參數選擇建議［J］.廣西電力，2008（1）：43～46

［2］楊汾艷，柏榆，梅桂華，等.變電站電容器組串聯電抗率的選擇［A］.第二屆電能質量及柔性輸電技術研討會論文集［C］，2008

［3］周勝軍，林海雪.并聯電容器裝置參數的工程選擇計算［J］.供用電，2009（4）：9～14

［4］劉書銘，李瓊林，杜習周，等.無功補償電容器組串聯電抗器的參數匹配［J］.電力自動化設備，2012（4）：145～150

［5］姚斌，徐唐煌.如何選擇配電網中補償電容器的串聯電抗器［J］.湖北電力，2006（2）：49～50

［6］陳伯勝.串聯電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇［J］.電網技術，2003（12）：92～95

［7］平孝香，劉菁.無功補償裝置中串聯電抗器的作用［J］.電力電容器與無功補償，2009（2）：21～24

［8］周挺，李雪松.變電站并聯電容器裝置的電抗率配置［J］.華東電力，2011（12）：2080～2083