并聯(lián)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(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京102206）

0 引言

選擇并聯(lián)電容器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，既可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，又可以使電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得以保證。但是電容器投入電網(wǎng)之后可能會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)的諧波得以放大甚至產(chǎn)生諧振，使系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重的威脅［1］。為避免系統(tǒng)內(nèi)的諧波放大，需要選擇一定電抗率的電抗器串聯(lián)在電容器回路中來(lái)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(lián)在電容器回路來(lái)抑制電容器裝置合閘時(shí)產(chǎn)生的涌流問(wèn)題。因而電抗率的選取應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎，且需要考慮多種因素才可以使諧波放大甚至諧振問(wèn)題得到很好的抑制和解決。

1 并聯(lián)電容器與諧波的相互影響

如圖1所示，電流源是系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)的h次諧波電流。其中Xs是系統(tǒng)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(lián)電抗器的基波感抗，hXL是h次諧波感抗。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路及諧波等效電路

設(shè)串聯(lián)在電容器支路電抗器的電抗率為K＝XL／XC，則：

發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，諧波電流全部流入電容器，會(huì)導(dǎo)致電容器發(fā)熱甚至損壞，所以在選擇電抗率的時(shí)候，應(yīng)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(shí)應(yīng)充分考慮電容器安裝位置處的背景諧波情況［1］，對(duì)于新建變電站，可以結(jié)合負(fù)荷和電網(wǎng)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(shí)會(huì)影響系統(tǒng)阻抗大小和諧波水平，然而傳統(tǒng)電抗率選擇時(shí)未充分考慮該因素的影響，致使在某些情況下電容器出現(xiàn)故障［2］。（3）除了變壓器飽和程度對(duì)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(shù)電容器的投切都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響［2］。因?yàn)橥肚须娙萜鞯慕M數(shù)不同時(shí)，等效阻抗也不一樣；電容器組的串抗率選擇不同時(shí)，電容器支路的串聯(lián)諧振頻率將得到改變。（4）母線短路容量、系統(tǒng)運(yùn)行電壓變化范圍、諧波源特性及其分布狀況、系統(tǒng)諧波阻抗特性都對(duì)電抗率的選擇產(chǎn)生影響［3］。（5）針對(duì)三繞組變壓器，若諧波源在中壓側(cè)，并聯(lián)電容器組在低壓側(cè)，選擇串抗率時(shí)需要考慮第三繞組的影響。（6）如果系統(tǒng)中串有限流電抗器，在考慮電容器組的串抗率時(shí)應(yīng)該將其等效考慮在內(nèi)［4］，防止由于選擇不合理的串抗率而導(dǎo)致諧波放大甚至諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有并聯(lián)電容器設(shè)計(jì)規(guī)范分析

GB50227—1995《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定電抗率選取應(yīng)按如下考慮：（1）當(dāng)系統(tǒng)中諧波以3次及以上為主時(shí)，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(shù)較多，可以進(jìn)行2種電抗率的組合，這樣既可以節(jié)省投資，也可以減小電抗器消耗的容性無(wú)功。（2）當(dāng)系統(tǒng)中諧波以5次及以上為主時(shí)，串聯(lián)電抗率可以選擇為4.5%～6%。因?yàn)?次諧波在6%電抗率下會(huì)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(duì)3次諧波的放大程度不超過(guò)規(guī)定值，又可以抑制5次及以上各次諧波。

GB50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)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(dāng)系統(tǒng)的諧波需要得到抑制的時(shí)候，應(yīng)在電容器支路串聯(lián)一定電抗率的電抗器，而電抗率的選取需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的諧波情況進(jìn)行選取。當(dāng)系統(tǒng)以3次及以上諧波為主時(shí)，電抗率可取12%或4.5%～5%與12%2種電抗率的組合；當(dāng)系統(tǒng)諧波以5次及以上為主時(shí)，可以選擇4.5%～5%電抗率。

通過(guò)對(duì)上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的介紹可以看出：（1）上述2個(gè)規(guī)范對(duì)串抗率的選擇較簡(jiǎn)單，實(shí)際可操作性較差，可作為一般的指導(dǎo)性原則；（2）在系統(tǒng)諧波較低的情況下，可以選擇0.1%～1%串抗率來(lái)限制合閘涌流，但是并沒(méi)有對(duì)3次諧波含量多大時(shí)需要進(jìn)行諧波放大的驗(yàn)證分析給出一定的建議；（3）在限制5次及以上各次諧波時(shí)，GB50227—1995《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出串抗率可以選擇4.5%～6%，而GB50227—2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出可以選擇4.5%～5%，但并沒(méi)有給出必要的解釋說(shuō)明為什么不宜選取6%串抗率。

對(duì)于5%和6%電抗率選擇的優(yōu)劣，有文獻(xiàn)專門從3次諧波放大倍數(shù)、經(jīng)濟(jì)性以及諧振容量3個(gè)方面進(jìn)行了比較，建議選擇5%電抗率。在電容器中串聯(lián)電抗器，既可以濾除諧波，又可以使電容器得到保護(hù)。在諧波含量較大的應(yīng)用場(chǎng)合，從保護(hù)電容器角度考慮，并不希望電容器中通過(guò)過(guò)多的電流，以免電容器因過(guò)流而損壞，此時(shí)針對(duì)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(yīng)具體問(wèn)題具體分析。目前，我國(guó)實(shí)際系統(tǒng)中很多串聯(lián)6%電抗率的電容器組運(yùn)行狀況較好。

2.3 電抗率的工程選擇方法

選擇電抗率時(shí)應(yīng)充分考慮2.1節(jié)中所提及的各種因素。結(jié)合文獻(xiàn)［1］及文獻(xiàn)［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(shí)，需要對(duì)特定次諧波是否放大進(jìn)行驗(yàn)算。如選擇0.1%～1%串抗率時(shí)，應(yīng)對(duì)5、7次諧波是否放大進(jìn)行驗(yàn)算；選擇4.5%～5%串抗率時(shí)，應(yīng)對(duì)3次諧波是否放大進(jìn)行驗(yàn)算。（3）當(dāng)電網(wǎng)諧波中主要含有3次時(shí)：當(dāng)3次諧波含量較小時(shí)（如不超過(guò)規(guī)定值的0.4倍），可選擇0.5%～1%串抗率；當(dāng)3次諧波含量較小時(shí)（如超過(guò)規(guī)定值的0.4倍但小于規(guī)定值），考慮到經(jīng)濟(jì)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(biāo)；當(dāng)3次諧波含量較大（已經(jīng)超過(guò)或接近規(guī)定值）時(shí)，可選擇12%串抗率來(lái)抑制諧波。（4）當(dāng)電網(wǎng)諧波中主要含有3、5次時(shí)：當(dāng)電網(wǎng)諧波中3次較?。ㄈ绮怀^(guò)規(guī)定值的0.4倍）、5次諧波含量較大且超過(guò)規(guī)定值時(shí)，串抗率可以選擇4.5%～5%；當(dāng)電網(wǎng)諧波中3次較大（如超過(guò)規(guī)定值的0.4倍但小于規(guī)定值）、5次諧波含量較小時(shí)，在保證電容器投入后不致引起3次諧波放大或超標(biāo)的情況下串抗率可以選擇0.5%～1%；當(dāng)電網(wǎng)諧波中3次較大（如超過(guò)規(guī)定值的0.4倍但小于規(guī)定值）、5次諧波含量也較大時(shí)，在保證電容器投入后不致引起3次諧波放大或超標(biāo)的情況下串抗率可以選擇4.5%～5%；當(dāng)3次較大且已超過(guò)或接近規(guī)定值而5次較小時(shí)，串抗率可以選擇12%或12%與4.5%～5%2種串抗率的組合；當(dāng)電網(wǎng)諧波中3、5次均較大且已超過(guò)或接近規(guī)定值時(shí)，串抗率可以選擇12%與4.5%～5%2種串抗率的組合。（5）當(dāng)電網(wǎng)諧波中主要含有5次及以上時(shí)：當(dāng)電網(wǎng)諧波中5次較小時(shí)，串抗率應(yīng)選擇為4.5%～5%；當(dāng)電網(wǎng)諧波中5次較大時(shí)，可以選擇4.5%串抗率來(lái)抑制5次諧波，當(dāng)電容器側(cè)存在諧波源時(shí)，串抗率選擇為5%，當(dāng)變壓器高壓側(cè)（針對(duì)于雙繞組變壓器）有諧波源時(shí)，串抗率可選擇為4.5%。（6）當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)諧波源時(shí)，為防止由于補(bǔ)償無(wú)功過(guò)多使得電容器兩端電壓升高以及電容器組投切時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓的情況發(fā)生，串抗率可選擇為0.5%～1%。（7）當(dāng)電網(wǎng)的背景諧波未知時(shí)，阻尼式限流器可以串聯(lián)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(shù)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(shù)的確定問(wèn)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…h(huán)XmL，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(shè)圖2中系統(tǒng)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(shí)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(tǒng)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(shù)，則根據(jù)電容器分組原則進(jìn)行修改。

根據(jù)上述內(nèi)容，已可以初步選擇合適的串抗率，也已經(jīng)可以確定高低串抗率各占多少組。但能否達(dá)到補(bǔ)償要求，還需進(jìn)行驗(yàn)證才能確定，如果不滿足補(bǔ)償要求，仍需要進(jìn)行修改。

約束條件為：設(shè)注入系統(tǒng)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(tǒng)后各次諧波電流均不超過(guò)規(guī)定值，即Ish≤Imh（h≥2），則該組數(shù)分配可以接受；若不滿足，則要根據(jù)電容器分組的原則進(jìn)行修改。

將各個(gè)參數(shù)帶入式（3），可以求出X∑，再將X∑ 帶入式（4），可以得到注入系統(tǒng)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(shù)分配可以接受；若不滿足，則要根據(jù)電容器分組的原則進(jìn)行修改。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的串抗率的選擇方法，首先對(duì)電容器對(duì)諧波放大的機(jī)理進(jìn)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(shù)的確定問(wèn)題：（1）串抗率選擇不當(dāng)，很可能導(dǎo)致諧波放大，因而需要綜合考慮多種因素來(lái)選擇合適的串抗率；（2）現(xiàn)有的規(guī)范對(duì)串抗率的選取有一定的指導(dǎo)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(jié)中的方法進(jìn)行合理配置來(lái)更好地抑制諧波。希望筆者所總結(jié)出的方法能夠更好地指導(dǎo)實(shí)際工程人員選擇串抗率，減少事故發(fā)生。

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