并联电容器谐振的动态特性研究

郭成,魏承志

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

并联电容器谐振的动态特性研究

郭成,魏承志

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

结合ETAP软件研究了电容器谐振的动态特性,包括短路容量的变化、主变的并列运行、串抗率变化、多组电容器的投退等,并给出了避免电容器谐振事故发生的建议。研究结论对于预防电容器谐振,提高电网的安全可靠运行具有重要意义。

电容器;并联谐振;串联谐振;串抗率;ETAP

1 前言

并联电容器是配电网中重要的无功补偿设备,并联电容器具有提高系统功率因数、改善电压质量、降低网损的优点,但同时也会带来谐波谐振的运行风险[1]。近年来,云南电网、广西电网、广东电网及其它许多省网系统均多次发生过电容器谐波谐振事故[2-4]。由于电力系统的谐波阻抗是感性的,而电容器的谐波阻抗是容性的,两者之间必定存在谐振点,因此,谐振是并联电容器的固有特性。谐振点并不能被消除,解决电容器谐振的技术措施只能是将谐振点调整到远离整数次谐波频率的地方。

电力系统是动态的,并联电容器谐振点会随电网运行方式变化而变化,因此,有必要研究并掌握并联电容器谐振点变化的动态特性,这对于预防电容器组的谐振事故,提高电网的安全可靠运行具有重要的意义。目前,关于并联电容器的串抗率不匹配问题被广泛研究[5-9],并提出了一些有意义的研究结论,但串抗率只是影响谐振点发生改变的原因之一,其它相关因素对谐振的影响还需要做进一步研究和总结。

2 理论计算

2.1 并联谐振点

并联谐振发生在电容器RLC支路与等值系统之间,与系统的短路容量具有关联。并联电容器的并联谐振点可按下式估算：

式中：

Qcx—发生 n次谐波谐振的电容器容量(Mvar);

Sd—并联电容器装置安装处的母线短路容量(MVA);

n—谐波次数;

K—电抗率。

如果式 (1)成立,则并联谐振条件满足。此时的n即为并联谐振点。

2.2 串联谐振点

串联谐振发生在容性电抗和感性电抗相等的串联RLC电路内,与外部系统联系并不紧密。并联电容器的串联谐振点可按下式估算：

式中XC—电容器组的容抗值;

XL—电容器组串联电抗的电抗值;

3 并联电容器谐振点的动态特性

3.1 仿真建模

为分析各种方式变化对电容器组谐波点的影响,本文基于ETAP软件,以云南电网220 kV南湖变为例进行仿真分析。南湖变电容器组及相关系统参数如表1所示,基于ETAP的仿真模型,如图1所示。

表1 220 kV变电站参数

图1 南湖变一次主接线仿真模型

表2所示为不同电容器组合工况下的谐振点计算结果和仿真结果。由于理论计算是将系统在35 kV母线处做系统等值,而仿真计算是将系统在220 kV母线处做等值,因此两者在计算结果上存在一点误差。由表2可见,理论计算结果与基于ETAP的仿真结果基本一致,说明计算和仿真的结果是可信的。

表2 不同电容器组合工况下的谐振点计算结果和仿真结果

6种运行方式下的谐波阻抗特性曲线分别如图2～图7所示。

图2 谐波阻抗特性曲线

由图2可见谐波阻抗特性曲线具有如下特点：

1)电容器谐振点会随着电容器组的不同组合而改变;

2)谐波阻抗曲线具有随谐波次数增加,先达到并联谐振点,再回到串联谐振点,再达到第二个并联谐振点,如此反复的特点;

3)从电容器所在母线侧看过去,通常第一次达到并联和串联谐振点的放大倍数最大。

在上图中,图3尤其要引起注意,它表明：当①和②号电容器并联运行时,虽然谐振点并不是恰好落在3次谐波处,但已经产生了3次谐波的放大问题,加之电网中的3次谐波含量通常较大,故有可能引起电容器谐振事故。因此,在实际运行中,不建议采取①和②号电容器并联运行的方式。

3.2 动态特性的仿真分析

电力系统是动态的,因此,并联电容器的谐振点也是动态变化的。为分析谐振点随运行方式变化的动态特性,本文基于ETAP软件下面将就各种运行方式的变化对谐振点的影响做仿真研究。

3.2.1 短路容量的变化

系统的运行方式为：在南湖变35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分别投运①和④号电容器,37母联断路器分断。仿真计算如表3所示。

表3 短路容量变化引起的电容器谐振点变化

由此可见,系统短路容量增大,可使并谐振点向更高方向移动,但移动幅值很小。系统短路容量增大对串联谐振点几乎无影响。因此,可以忽略由于系统短路容量变化,给谐振点带来的影响,特别是对于串联谐振点。从理论上分析,这是由于系统短路容量要比电容器补偿容量大很多的缘故。

3.2.2 主变并列运行

系统的运行方式为：在南湖变35 kVⅠ母和35 kVⅡ母上分别投运①和④号电容器,南湖变37母联断路器先分后合,对比分合前后的谐振点变化,仿真计算如表4所示。

表4 主变并列运行引起的电容器谐振点变化

由此可见,主变并列运行,可使并联谐振点和串联谐振点均向更高方向移动,但并联谐振点的移动幅值较串联谐振点的移动幅值要大。因此,可以近似忽略主变并列运行对串联谐振点的影响。

3.2.3 串联电抗率

表5所示为不同串抗率下的谐振点变化仿真结果。在并联电容器支路上增设串抗,或者增大串抗率值,可使电容器的串联谐振点和并联谐振点向更低的方向偏移。且这种偏移值是很大的。

表5 串抗率变化对谐振点的影响

从表5中还可以看出：

1)采用5%的串抗容易引起4次并联型谐波放大;

2)采用6%串抗除了容易引起4次串联型谐波放大外,还容易引起3次谐波放大;

3)采用12%串抗可以避免3次及以上的谐波放大。因此,对于3次谐波含量较高的情况,宜采用12%串抗;对于3次谐波含量不大,而5次谐波含量较高时,采用5%及以上的串抗均可;而当4次谐波含量较大时,采用5%和6%的串抗均不适宜。

3.2.4 负载或功率因数变化

表6和表7所示为功率因数和负载的变化对谐振点影响的仿真结果可见,负载容量和功率因数不会对系统谐振点带来影响。虽然负载不会对谐振点产生影响,但负载往往是电网最主要的谐波源。当谐波基数大时,并不需要特别高的谐波放大倍数,就足以引起谐振事故了。

表6 功率因数变化对谐振点的影响

表7 负载变化对谐振点的影响

3.2.5 多组电容器投退

假设某一段母线上安装有2组均采用6.5%串抗率的电容器,下面分析投入一组和投入多组的变化,结果如表8所示。

表8 多组电容器投退对谐振点的影响

可见,投电容器组会使电容器并联谐振点向更低的方向偏移,且这种偏移产生的效果非常显著,但对串联谐振点几乎无影响。

3.2.6 电容器组容量变化

电容器的串联电抗的阻抗值保持不变,当电容器补偿容量分别为12 Mvar、11.5 Mvar和10.8 Mvar,电容器组谐振点的仿真结果如表9所示：

表9 电容器组容量变化对谐振点的影响

可见,电容器组容量的变化对谐振点变化的影响是很大的。因此,要特别注意设备厂家的实际补偿容量是否存在较大的偏差。

3.3 小结

综上所述,串抗率、实际电容器组容量值、电容器组的投退对谐振点的影响最为显著。短路容量变化、变压器并列运行、负载容量的变化、功率因数的变化对电容器组谐振点的影响不大或无影响。将上述研究结论做一总结,可得到表10。

表10 动态特性汇总表

4 结束语

文中首先对比了理论计算和仿真分析的结果,表明采用ETAP软件分析电容器谐振点的结果是可信的。然后,基于ETAP软件分析了电容器谐振点的动态特性,得到如下研究结论：

1)串抗率、电容器组容量、多组电容器组的投退对谐振点的影响最为显著;系统短路容量及主变的并列运行对电容器组谐振点的影响不大;负载容量的变化及功率因数的变化对谐振点无影响。

2)当电容器补偿容量不可调时,通过改变串抗率避免谐振运行风险,是最简捷有效的选择。

3)由于电容器的补偿容量值和电抗率通常不会发生改变,因此多组电容器组投退是影响电容器谐振点动态特性的最主要原因,这其中主要是对并联谐振点的影响。

4)电容器的并联谐振点更容易受到系统运行方式的影响,其动态特性变化大,而串联谐振点的动态特性变化小。

在工程实践中,只要做好如下三点,电容器谐振问题是可以完全避免的,即：

要做好串抗率的合理选择,避免并联谐振的发生,建议配置6.5%或12%的串抗;在规划设计阶段,要考虑所有并联电容器支路的组合情况,特别留意分析是否存在3、4、5次的谐波放大问题;定期校核电容器实际补偿容量,查验是否与设计容量一致。

[1] Ramasamy Natarajan著,徐政译.电力电容器 [M].机械工业出版社,2010.

[2] George J.Wakileh著,徐政译.电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计 [M].机械工业出版社,2007.

[3] 李小伟.电容器组串联电器烧毁的原因分析与建议 [J].广西电力,2009(1)：62-64.

[4] 周胜军,林海雪.并联电容器装置中的串联电抗选择 [J] .供用电,2001,18(1)：15-18.

[5] 杨汾艳,徐柏榆,梅桂华,等.交直流混合电网中变电站电容器组串联电抗率选择 [J].电力自动化设备,2009, 29(6)：29-34.

[6] 刘书铭,李琼林,等.无功补偿电容器组串联电抗器的参数匹配 [J].电力自动化设备,2012,32(4)：145-150.

[7] 陈鹏云,刘晋,等.500 kV站35 kV无功补偿电容器装置设计问题分析 [J].华中电力,2010,23(4)：14-17.

[8] 丘文千,周浩,等.并联电容器装置的参数优化 [J].南方电网技术,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,工程师,云南电网公司电力研究院,主要从事电能质量分析与控制、电力系统分析研究工作 (email)gc325@126.com。