郭成,魏承志

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

并聯(lián)電容器諧振的動(dòng)態(tài)特性研究

郭成,魏承志

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

結(jié)合ETAP軟件研究了電容器諧振的動(dòng)態(tài)特性,包括短路容量的變化、主變的并列運(yùn)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(fā)生的建議。研究結(jié)論對(duì)于預(yù)防電容器諧振,提高電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

電容器;并聯(lián)諧振;串聯(lián)諧振;串抗率;ETAP

1 前言

并聯(lián)電容器是配電網(wǎng)中重要的無功補(bǔ)償設(shè)備,并聯(lián)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)也會(huì)帶來諧波諧振的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[1]。近年來,云南電網(wǎng)、廣西電網(wǎng)、廣東電網(wǎng)及其它許多省網(wǎng)系統(tǒng)均多次發(fā)生過電容器諧波諧振事故[2-4]。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),因此,諧振是并聯(lián)電容器的固有特性。諧振點(diǎn)并不能被消除,解決電容器諧振的技術(shù)措施只能是將諧振點(diǎn)調(diào)整到遠(yuǎn)離整數(shù)次諧波頻率的地方。

電力系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的,并聯(lián)電容器諧振點(diǎn)會(huì)隨電網(wǎng)運(yùn)行方式變化而變化,因此,有必要研究并掌握并聯(lián)電容器諧振點(diǎn)變化的動(dòng)態(tài)特性,這對(duì)于預(yù)防電容器組的諧振事故,提高電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。目前,關(guān)于并聯(lián)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(jié)論,但串抗率只是影響諧振點(diǎn)發(fā)生改變的原因之一,其它相關(guān)因素對(duì)諧振的影響還需要做進(jìn)一步研究和總結(jié)。

2 理論計(jì)算

2.1 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：

Qcx—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)。

2.2 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;

3 并聯(lián)電容器諧振點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性

3.1 仿真建模

為分析各種方式變化對(duì)電容器組諧波點(diǎn)的影響,本文基于ETAP軟件,以云南電網(wǎng)220 kV南湖變?yōu)槔M(jìn)行仿真分析。南湖變電容器組及相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)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(shù)

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(diǎn)計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果。由于理論計(jì)算是將系統(tǒng)在35 kV母線處做系統(tǒng)等值,而仿真計(jì)算是將系統(tǒng)在220 kV母線處做等值,因此兩者在計(jì)算結(jié)果上存在一點(diǎn)誤差。由表2可見,理論計(jì)算結(jié)果與基于ETAP的仿真結(jié)果基本一致,說明計(jì)算和仿真的結(jié)果是可信的。

表2 不同電容器組合工況下的諧振點(diǎn)計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果

6種運(yùn)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(diǎn)：

1)電容器諧振點(diǎn)會(huì)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(shù)增加,先達(dá)到并聯(lián)諧振點(diǎn),再回到串聯(lián)諧振點(diǎn),再達(dá)到第二個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn),如此反復(fù)的特點(diǎn);

3)從電容器所在母線側(cè)看過去,通常第一次達(dá)到并聯(lián)和串聯(lián)諧振點(diǎn)的放大倍數(shù)最大。

在上圖中,圖3尤其要引起注意,它表明：當(dāng)①和②號(hào)電容器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),雖然諧振點(diǎn)并不是恰好落在3次諧波處,但已經(jīng)產(chǎn)生了3次諧波的放大問題,加之電網(wǎng)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(shí)際運(yùn)行中,不建議采取①和②號(hào)電容器并聯(lián)運(yùn)行的方式。

3.2 動(dòng)態(tài)特性的仿真分析

電力系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的,因此,并聯(lián)電容器的諧振點(diǎn)也是動(dòng)態(tài)變化的。為分析諧振點(diǎn)隨運(yùn)行方式變化的動(dòng)態(tài)特性,本文基于ETAP軟件下面將就各種運(yùn)行方式的變化對(duì)諧振點(diǎn)的影響做仿真研究。

3.2.1 短路容量的變化

系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：在南湖變35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分別投運(yùn)①和④號(hào)電容器,37母聯(lián)斷路器分?jǐn)?。仿真?jì)算如表3所示。

表3 短路容量變化引起的電容器諧振點(diǎn)變化

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

3.2.2 主變并列運(yùn)行

系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：在南湖變35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分別投運(yùn)①和④號(hào)電容器,南湖變37母聯(lián)斷路器先分后合,對(duì)比分合前后的諧振點(diǎn)變化,仿真計(jì)算如表4所示。

表4 主變并列運(yùn)行引起的電容器諧振點(diǎn)變化

由此可見,主變并列運(yùn)行,可使并聯(lián)諧振點(diǎn)和串聯(lián)諧振點(diǎn)均向更高方向移動(dòng),但并聯(lián)諧振點(diǎn)的移動(dòng)幅值較串聯(lián)諧振點(diǎn)的移動(dòng)幅值要大。因此,可以近似忽略主變并列運(yùn)行對(duì)串聯(lián)諧振點(diǎn)的影響。

3.2.3 串聯(lián)電抗率

表5所示為不同串抗率下的諧振點(diǎn)變化仿真結(jié)果。在并聯(lián)電容器支路上增設(shè)串抗,或者增大串抗率值,可使電容器的串聯(lián)諧振點(diǎn)和并聯(lián)諧振點(diǎn)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(duì)諧振點(diǎn)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(lián)型諧波放大;

2)采用6%串抗除了容易引起4次串聯(lián)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(duì)于3次諧波含量較高的情況,宜采用12%串抗;對(duì)于3次諧波含量不大,而5次諧波含量較高時(shí),采用5%及以上的串抗均可;而當(dāng)4次諧波含量較大時(shí),采用5%和6%的串抗均不適宜。

3.2.4 負(fù)載或功率因數(shù)變化

表6和表7所示為功率因數(shù)和負(fù)載的變化對(duì)諧振點(diǎn)影響的仿真結(jié)果可見,負(fù)載容量和功率因數(shù)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)諧振點(diǎn)帶來影響。雖然負(fù)載不會(huì)對(duì)諧振點(diǎn)產(chǎn)生影響,但負(fù)載往往是電網(wǎng)最主要的諧波源。當(dāng)諧波基數(shù)大時(shí),并不需要特別高的諧波放大倍數(shù),就足以引起諧振事故了。

表6 功率因數(shù)變化對(duì)諧振點(diǎn)的影響

表7 負(fù)載變化對(duì)諧振點(diǎn)的影響

3.2.5 多組電容器投退

假設(shè)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(jié)果如表8所示。

表8 多組電容器投退對(duì)諧振點(diǎn)的影響

可見,投電容器組會(huì)使電容器并聯(lián)諧振點(diǎn)向更低的方向偏移,且這種偏移產(chǎn)生的效果非常顯著,但對(duì)串聯(lián)諧振點(diǎn)幾乎無影響。

3.2.6 電容器組容量變化

電容器的串聯(lián)電抗的阻抗值保持不變,當(dāng)電容器補(bǔ)償容量分別為12 Mvar、11.5 Mvar和10.8 Mvar,電容器組諧振點(diǎn)的仿真結(jié)果如表9所示：

表9 電容器組容量變化對(duì)諧振點(diǎn)的影響

可見,電容器組容量的變化對(duì)諧振點(diǎn)變化的影響是很大的。因此,要特別注意設(shè)備廠家的實(shí)際補(bǔ)償容量是否存在較大的偏差。

3.3 小結(jié)

綜上所述,串抗率、實(shí)際電容器組容量值、電容器組的投退對(duì)諧振點(diǎn)的影響最為顯著。短路容量變化、變壓器并列運(yùn)行、負(fù)載容量的變化、功率因數(shù)的變化對(duì)電容器組諧振點(diǎn)的影響不大或無影響。將上述研究結(jié)論做一總結(jié),可得到表10。

表10 動(dòng)態(tài)特性匯總表

4 結(jié)束語

文中首先對(duì)比了理論計(jì)算和仿真分析的結(jié)果,表明采用ETAP軟件分析電容器諧振點(diǎn)的結(jié)果是可信的。然后,基于ETAP軟件分析了電容器諧振點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性,得到如下研究結(jié)論：

1)串抗率、電容器組容量、多組電容器組的投退對(duì)諧振點(diǎn)的影響最為顯著;系統(tǒng)短路容量及主變的并列運(yùn)行對(duì)電容器組諧振點(diǎn)的影響不大;負(fù)載容量的變化及功率因數(shù)的變化對(duì)諧振點(diǎn)無影響。

2)當(dāng)電容器補(bǔ)償容量不可調(diào)時(shí),通過改變串抗率避免諧振運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),是最簡捷有效的選擇。

3)由于電容器的補(bǔ)償容量值和電抗率通常不會(huì)發(fā)生改變,因此多組電容器組投退是影響電容器諧振點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性的最主要原因,這其中主要是對(duì)并聯(lián)諧振點(diǎn)的影響。

4)電容器的并聯(lián)諧振點(diǎn)更容易受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響,其動(dòng)態(tài)特性變化大,而串聯(lián)諧振點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性變化小。

在工程實(shí)踐中,只要做好如下三點(diǎn),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(lián)諧振的發(fā)生,建議配置6.5%或12%的串抗;在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,要考慮所有并聯(lián)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(shí)際補(bǔ)償容量,查驗(yàn)是否與設(shè)計(jì)容量一致。

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

[2] George J.Wakileh著,徐政譯.電力系統(tǒng)諧波—基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計(jì) [M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

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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(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 (email)gc325@126.com。