带串联电抗器的并联电容器组无功输出的计算分析

2018-12-06邓小电

科技与创新 2018年22期

邓小电

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（浙江诚信人才资源交流服务有限公司，浙江杭州 310000）

为抑制电力系统中3次谐波和5次谐波对电容器产生的危害，串联电抗器电抗百分率要求在4.5%～6.0%之间，具体应用效果主要根据并联电容器组无功输出结果确定。对并联电容器中串联电抗器的作用及选择进行分析，进而通过带串联电抗器的并联电容器组无功输出计算，判断串联电抗器电抗百分率应选择上限还是下限。

带串联电抗器；并联电容器组；无功输出；电抗百分率

1 引言

随着电力电子技术的快速发展，供电系统复杂性也逐渐增加，系统内包含大量非线性负载，包括低压小容量家电、高压大容量交直流变换装置、静止变流器等。在电力系统运行过程中，存在电流、电压畸变引起的谐波污染问题，容易对电网产生冲击，导致电容器设备受到损坏。一般应用在并联电容器组中串联电抗器的方法抑制谐波污染，但需要合理选择串联电抗器的电抗百分率，综合考虑无功输出计算结果等方面的因素，才能达到最佳的效果。

2 串联电抗器的作用及选择

2.1 串联电抗器的作用

在电能质量综合治理要求下，各地区配变电站选择主要污染源和敏感负荷中心设立电能质量控制中心，对电能质量进行在线监测。在谐波污染未得到有效整治前，如果将并联电容器组接入到母线中，容易导致谐波被放大。对于此类问题，在并联电容器组中接入串联电抗器，可有效抑制高次谐波的产生，同时也能起到限制合闸涌流的作用，从而避免因谐波污染导致电容器出现损坏。但串联电抗器不能与电容器组随意组合，需要充分考虑电容器组接入处的母线谐波情况，合理选择串联电抗器的电抗率，从而充分发挥其抑制谐波的作用[1]。

2.2 串联电抗器的选择

串联电抗器的电抗率选择范围为4.5%～6%，通常情况下，取上限值，即6%.要合理选择电抗率，必须先对电容器的接入处母线谐波情况进行了解。在IEC标准中，将并联电容器组串联的电抗器分为阻尼电抗器、调谐电抗器两种。其中，阻尼电抗器的作用主要是对电容器组合闸涌流加以限制，电抗率选择一般较小，为0.1%～1%.调谐电抗器的主要作用是抑制谐波，其电抗率选择相对较大，从而对并联电容器组电路参数进行调节，使各支路对各次有威胁性谐波的最低次谐波阻抗成为感性。此外，串联电抗器选择还包括串联电抗器额定端电压、串联电抗器额定电容选择等。串联电抗器额定电压主要与电抗率和电容器额定电压有关，等于两者的乘积。串联电抗器的额定电容等于电容器额定容量与电抗率的乘积，主要与电容器额定电压、额定容量、电抗率有关[2]。

综合上述分析，在对串联电抗器额定容量进行选择时，应遵循以下几点原则：①如果电容器接入处母线为3次或3次以上的谐波，串联电抗器的电抗率可选择4.5%～6%或12%两种；②如果电容器接入处的谐波为3次和5次谐波，且3次谐波较少，5次谐波较多，应选择4.5%～6%电抗率的串联电抗器，相反，如果3次谐波较多，5次谐波较少，可选择0.1%～1%电抗率的串联电抗器，但需要进行验算，确保3次谐波放大在国标限制以内，且有一定裕度；③如果电容器接入处母线为5次及5次以上的谐波，且5次谐波含量较少，可选择4.5%～6%串联电抗器，相反如果5次谐波较多，则应选择4.5%串联电抗器。

此外还要注意，如果采用0.1%～1%串联电抗器，要避免电容器接入导致5次和6次谐波被严重放大，如果采用4.%～6%串联电抗器，要避免电容器接入导致3次谐波被严重放大。具体的串联电抗器选择以及目前关于选择电抗率上限还是下限的争议问题，还需要通过并联电容器组无功输出计算确定[3]。

3 带串联电抗器的并联电容器组无功输出计算及相关建议

3.1 无功输出计算

3.1.1 目标系统

3.1.2 电抗率为6.0%与电抗率为4.5%的无功输出值计算

首先计算串联电抗器电抗率为6.0%时的无功输出值，电容器端电压计算公式为：

式（1）中：s为系统电压；为电抗器电抗率。

串联电抗器端电压的计算公式为：

R=c. （2）

式（2）中：c为电容器端电压。

根据这两个公式可以对10 kV配电系统中的无功输出进行计算，当配电系统电压下降到10.34 kV时，电容器组的总无功输出才为4 700 kvar，而多数情况下，10 kV系统电压在10.5 kV以上，当电压超过10.666 kV后，电容器组总无功输出值已经超过了5 000 kvar。

同理，对串联电抗器电抗率为4.5%时的电容器无功输出值进行计算，除电抗率改变外，其他参数不变，同样采用上述两个公式进行计算。在串联电抗器电抗率为4.5%时，系统电压为10.00 kV，电容器容量为4 171.165 kvar，总无功输出值为3 983.463 kvar。系统电压为10.00 kV时，采用电抗率为4.5%的串联电抗器，可以使电容器组的无功输出下降到电抗率6%时的90.6%水平。如果电容器组的母线存在少量3次谐波，使用电抗率为4.5%的串联电抗器会对3次谐波产生放大效果，且放大量会比选择电抗率为6%的串联电抗器大。

由此可以看出，串联电抗器电抗率选择下限值4.5%，未必在任何情况下都适用，对于10 kV配电系统电压偏低的母线处，选择电抗率小的串联电抗器，其无功输出效果反而不好。通过对电抗率为6%和电抗率为4.5%的带串联电抗器电容器组进行计算分析，可以比较出其优劣性。在电抗器投入成本方面，电抗率为4.5%的电抗器成本较少，更具有优势，其无功输出一般偏小。采用电抗率为6%的串联电抗器，虽然无功输出偏大，但3次谐波放大量较小，5次谐波谐振危险性也较低。因此，如果出于成本考虑要选择电抗率为4.5%的串联电抗器，还需要对实际情况进行计算分析，防止出现谐波危害。

3.1.3 电抗率为12%与电抗率为13%的无功输出值计算

电压11.260 kV时电容器电容为5 685.334 kvar，总无功输出为5 003.094 kvar。同样仅将电抗率改变为13%，再次进行电容器组总无功输出计算。电压为11.200 kV时，电容器容量为5 753.963 kvar，总无功输出功率为50 005.948 kvar。当电容器组达到5 000 kvar额定输出时，电抗率在12%时出现在电压11.25 kV情况下，电抗率为13%时出现在11.20 kV时，谐波串联谐振危害与电抗率为4.5%和电抗率为6%的分析情况一致，不再赘述。

3.2 主要结论及相关建议

通过对带串联电抗器的并联电容器组无功输出计算可以看出，无论是对于存在3次谐波还是5次谐波的系统母线，取电抗率下限都未必能够获得更好的效果，虽然在电抗器投入方面成本得到降低，但容易引发谐波串联谐振危险。通过本次研究主要提出以下几点建议：①新建变电所串联电抗器选择必须慎重，应充分考虑电容器组接入处的谐波情况，不能只考虑经济因素；②对已投入运行的电容器组，其电抗器选择也要经过验算，并进行现场实测，且不能随意改变电容器容量，否则必须在验算后更换合适的串联电抗器；③电能质量综合治理是一项系统工程，在串联电抗器选择和应用过程中，需要以电气安全为前提，并采取多层治理、分级协调的原则，确保系统运行稳定性。