并聯電容器諧振的動態特性研究

郭成,魏承志

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

并聯電容器諧振的動態特性研究

郭成,魏承志

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

結合ETAP軟件研究了電容器諧振的動態特性,包括短路容量的變化、主變的并列運行、串抗率變化、多組電容器的投退等,并給出了避免電容器諧振事故發生的建議。研究結論對于預防電容器諧振,提高電網的安全可靠運行具有重要意義。

電容器;并聯諧振;串聯諧振;串抗率;ETAP

1 前言

并聯電容器是配電網中重要的無功補償設備,并聯電容器具有提高系統功率因數、改善電壓質量、降低網損的優點,但同時也會帶來諧波諧振的運行風險[1]。近年來,云南電網、廣西電網、廣東電網及其它許多省網系統均多次發生過電容器諧波諧振事故[2-4]。由于電力系統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,因此,諧振是并聯電容器的固有特性。諧振點并不能被消除,解決電容器諧振的技術措施只能是將諧振點調整到遠離整數次諧波頻率的地方。

電力系統是動態的,并聯電容器諧振點會隨電網運行方式變化而變化,因此,有必要研究并掌握并聯電容器諧振點變化的動態特性,這對于預防電容器組的諧振事故,提高電網的安全可靠運行具有重要的意義。目前,關于并聯電容器的串抗率不匹配問題被廣泛研究[5-9],并提出了一些有意義的研究結論,但串抗率只是影響諧振點發生改變的原因之一,其它相關因素對諧振的影響還需要做進一步研究和總結。

2 理論計算

2.1 并聯諧振點

并聯諧振發生在電容器RLC支路與等值系統之間,與系統的短路容量具有關聯。并聯電容器的并聯諧振點可按下式估算：

式中：

Qcx—發生 n次諧波諧振的電容器容量(Mvar);

Sd—并聯電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA);

n—諧波次數;

K—電抗率。

如果式 (1)成立,則并聯諧振條件滿足。此時的n即為并聯諧振點。

2.2 串聯諧振點

串聯諧振發生在容性電抗和感性電抗相等的串聯RLC電路內,與外部系統聯系并不緊密。并聯電容器的串聯諧振點可按下式估算：

式中XC—電容器組的容抗值;

XL—電容器組串聯電抗的電抗值;

3 并聯電容器諧振點的動態特性

3.1 仿真建模

為分析各種方式變化對電容器組諧波點的影響,本文基于ETAP軟件,以云南電網220 kV南湖變為例進行仿真分析。南湖變電容器組及相關系統參數如表1所示,基于ETAP的仿真模型,如圖1所示。

表1 220 kV變電站參數

圖1 南湖變一次主接線仿真模型

表2所示為不同電容器組合工況下的諧振點計算結果和仿真結果。由于理論計算是將系統在35 kV母線處做系統等值,而仿真計算是將系統在220 kV母線處做等值,因此兩者在計算結果上存在一點誤差。由表2可見,理論計算結果與基于ETAP的仿真結果基本一致,說明計算和仿真的結果是可信的。

表2 不同電容器組合工況下的諧振點計算結果和仿真結果

6種運行方式下的諧波阻抗特性曲線分別如圖2～圖7所示。

圖2 諧波阻抗特性曲線

由圖2可見諧波阻抗特性曲線具有如下特點：

1)電容器諧振點會隨著電容器組的不同組合而改變;

2)諧波阻抗曲線具有隨諧波次數增加,先達到并聯諧振點,再回到串聯諧振點,再達到第二個并聯諧振點,如此反復的特點;

3)從電容器所在母線側看過去,通常第一次達到并聯和串聯諧振點的放大倍數最大。

在上圖中,圖3尤其要引起注意,它表明：當①和②號電容器并聯運行時,雖然諧振點并不是恰好落在3次諧波處,但已經產生了3次諧波的放大問題,加之電網中的3次諧波含量通常較大,故有可能引起電容器諧振事故。因此,在實際運行中,不建議采取①和②號電容器并聯運行的方式。

3.2 動態特性的仿真分析

電力系統是動態的,因此,并聯電容器的諧振點也是動態變化的。為分析諧振點隨運行方式變化的動態特性,本文基于ETAP軟件下面將就各種運行方式的變化對諧振點的影響做仿真研究。

3.2.1 短路容量的變化

系統的運行方式為：在南湖變35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分別投運①和④號電容器,37母聯斷路器分斷。仿真計算如表3所示。

表3 短路容量變化引起的電容器諧振點變化

由此可見,系統短路容量增大,可使并諧振點向更高方向移動,但移動幅值很小。系統短路容量增大對串聯諧振點幾乎無影響。因此,可以忽略由于系統短路容量變化,給諧振點帶來的影響,特別是對于串聯諧振點。從理論上分析,這是由于系統短路容量要比電容器補償容量大很多的緣故。

3.2.2 主變并列運行

系統的運行方式為：在南湖變35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分別投運①和④號電容器,南湖變37母聯斷路器先分后合,對比分合前后的諧振點變化,仿真計算如表4所示。

表4 主變并列運行引起的電容器諧振點變化

由此可見,主變并列運行,可使并聯諧振點和串聯諧振點均向更高方向移動,但并聯諧振點的移動幅值較串聯諧振點的移動幅值要大。因此,可以近似忽略主變并列運行對串聯諧振點的影響。

3.2.3 串聯電抗率

表5所示為不同串抗率下的諧振點變化仿真結果。在并聯電容器支路上增設串抗,或者增大串抗率值,可使電容器的串聯諧振點和并聯諧振點向更低的方向偏移。且這種偏移值是很大的。

表5 串抗率變化對諧振點的影響

從表5中還可以看出：

1)采用5%的串抗容易引起4次并聯型諧波放大;

2)采用6%串抗除了容易引起4次串聯型諧波放大外,還容易引起3次諧波放大;

3)采用12%串抗可以避免3次及以上的諧波放大。因此,對于3次諧波含量較高的情況,宜采用12%串抗;對于3次諧波含量不大,而5次諧波含量較高時,采用5%及以上的串抗均可;而當4次諧波含量較大時,采用5%和6%的串抗均不適宜。

3.2.4 負載或功率因數變化

表6和表7所示為功率因數和負載的變化對諧振點影響的仿真結果可見,負載容量和功率因數不會對系統諧振點帶來影響。雖然負載不會對諧振點產生影響,但負載往往是電網最主要的諧波源。當諧波基數大時,并不需要特別高的諧波放大倍數,就足以引起諧振事故了。

表6 功率因數變化對諧振點的影響

表7 負載變化對諧振點的影響

3.2.5 多組電容器投退

假設某一段母線上安裝有2組均采用6.5%串抗率的電容器,下面分析投入一組和投入多組的變化,結果如表8所示。

表8 多組電容器投退對諧振點的影響

可見,投電容器組會使電容器并聯諧振點向更低的方向偏移,且這種偏移產生的效果非常顯著,但對串聯諧振點幾乎無影響。

3.2.6 電容器組容量變化

電容器的串聯電抗的阻抗值保持不變,當電容器補償容量分別為12 Mvar、11.5 Mvar和10.8 Mvar,電容器組諧振點的仿真結果如表9所示：

表9 電容器組容量變化對諧振點的影響

可見,電容器組容量的變化對諧振點變化的影響是很大的。因此,要特別注意設備廠家的實際補償容量是否存在較大的偏差。

3.3 小結

綜上所述,串抗率、實際電容器組容量值、電容器組的投退對諧振點的影響最為顯著。短路容量變化、變壓器并列運行、負載容量的變化、功率因數的變化對電容器組諧振點的影響不大或無影響。將上述研究結論做一總結,可得到表10。

表10 動態特性匯總表

4 結束語

文中首先對比了理論計算和仿真分析的結果,表明采用ETAP軟件分析電容器諧振點的結果是可信的。然后,基于ETAP軟件分析了電容器諧振點的動態特性,得到如下研究結論：

1)串抗率、電容器組容量、多組電容器組的投退對諧振點的影響最為顯著;系統短路容量及主變的并列運行對電容器組諧振點的影響不大;負載容量的變化及功率因數的變化對諧振點無影響。

2)當電容器補償容量不可調時,通過改變串抗率避免諧振運行風險,是最簡捷有效的選擇。

3)由于電容器的補償容量值和電抗率通常不會發生改變,因此多組電容器組投退是影響電容器諧振點動態特性的最主要原因,這其中主要是對并聯諧振點的影響。

4)電容器的并聯諧振點更容易受到系統運行方式的影響,其動態特性變化大,而串聯諧振點的動態特性變化小。

在工程實踐中,只要做好如下三點,電容器諧振問題是可以完全避免的,即：

要做好串抗率的合理選擇,避免并聯諧振的發生,建議配置6.5%或12%的串抗;在規劃設計階段,要考慮所有并聯電容器支路的組合情況,特別留意分析是否存在3、4、5次的諧波放大問題;定期校核電容器實際補償容量,查驗是否與設計容量一致。

[1] Ramasamy Natarajan著,徐政譯.電力電容器 [M].機械工業出版社,2010.

[2] George J.Wakileh著,徐政譯.電力系統諧波—基本原理、分析方法和濾波器設計 [M].機械工業出版社,2007.

[3] 李小偉.電容器組串聯電器燒毀的原因分析與建議 [J].廣西電力,2009(1)：62-64.

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[5] 楊汾艷,徐柏榆,梅桂華,等.交直流混合電網中變電站電容器組串聯電抗率選擇 [J].電力自動化設備,2009, 29(6)：29-34.

[6] 劉書銘,李瓊林,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,2012,32(4)：145-150.

[7] 陳鵬云,劉晉,等.500 kV站35 kV無功補償電容器裝置設計問題分析 [J].華中電力,2010,23(4)：14-17.

[8] 丘文千,周浩,等.并聯電容器裝置的參數優化 [J].南方電網技術,2011,5(6)：101-105.

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Study on Dynamic Characteristics of Parallel Capacitor Resonant

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

This paper,based on the software ETAP,aims to make in-depth study on the dynamic behavior of resonance,including the variation short-circuit capacity,the main transformer operation,series resistance rate changes,multiple capacitors operation, etc,and further give the constructive opinions to avoid the accidents of resonance.The research result is of important value both for preventing the capacitor resonance and improving the power grid operation safely and reliably.

capacitor;parallel resonance;series resonance;series resistance rate;ETAP

TM85

B

1006-7345(2014)01-0009-05

2013-11-25

郭成 (1978),男,博士,工程師,云南電網公司電力研究院,主要從事電能質量分析與控制、電力系統分析研究工作 (email)gc325@126.com。