并联电容器谐波放大分析与电容参数选择建议

0. 29 0. 76 2. 14 0. 32 1. 00 2. 18
0. 73 0. 21 0. 18 0. 56 0. 22 0. 22
0. 58 0. 40 0. 27 0. 63 0. 23 0. 23
0. 08 0. 10 0. 08 0. 08 0. 10 0. 08
0. 19 0. 15 0. 14 0. 22 0. 14 0. 12
若 4. 5 %～6 %与 12 %两种串抗率同时使用 ,实 际运行时应首先投入串抗率 12 %的电容器 ,后投入 4. 5 %～6 %电容器 ,退出时则相反 。采用此方案可 以抑制电网谐波 ,同时降低造价 ,达到经济运行的效 果 ,但由此会带来运行管理及设备轮换 、检修安排的 不便 。
制 n 次谐波电压的作用 。当 K 值小于 1/ n2 时 ,电容
器支路对 n 次谐波呈容性 ,仍有可能放大 n 次谐波 。
2 变电站电容器投切对母线谐波电压影响
实例分析
2. 1 220 kV 六圩变电站电容器投切谐波测量
220 kV 六 圩 变 电 站 主 变 容 量 为 2 ×120 MV·A ,主变三侧 电 压 等 级 为 220/ 110/ 10 kV , 10 kV 电容器装置共 4 组 ,分组容量 9 000 kvar ,串抗 率 6 %。变电站运行方式为 2 台主变分列运行 ,1 号 主变带 10 kV I 段母线空载运行 ,2 号主变带 10 kV Ⅱ段母线 X 空载运行 。本次试验在 10 kV I 段母 线 、Ⅱ母线分别投 1 组 、投 2 组电容器 ,测量未投电 容器 、投 1 组 、2 组电容器时 10 kV 母线谐波电压 , 测量结果见表 1 。
3 电容器装置参数选择
电容器装置参数的选择应遵循绝对避免发生 n 次谐波谐振的原则 ,同时应防止谐波放大而引起某
次谐波电压超过限值 。以下就如何遵循该原则进行 电容器参数的优化选择作相关分析 。
3. 1 串抗率的选择
电容器装置的串抗率选择应充分考虑安装点处 的电网背景谐波 ,对现已安装电容器无功补偿装置 的母线 ,应进行谐波实测 ;对新建变电站的无功补偿 电容器装置 ,应根据电网接入情况 、供电负荷及负荷 发展情况 ,分析安装点处背景谐波成分 。
2008 年第 1 期 广西电力
45
器无法正常投入运行 。目前已对该变电站的 Ⅰ、Ⅱ 段母线分别更换 1 组串抗率为 12 %的电容器 ,以避 开 3 次谐波谐振范围 。 2. 2 220 kV 永丰变电站电容器投切谐波测量 220 kV 永丰变电站主变容量为 2 ×120 MV·A ,
②采用谐振容量计算公式 (4) ,计算 10 kV 母线 3 次谐波谐振容量为 15. 7 Mvar ,投入 2 组电容器时 电容量为 16. 92 Mvar ,与 3 次谐波谐振容量接近 。
③电容器投入后母线 5 次谐波电压减小 。采用 公式 (5) 计算 5 次谐波串联谐振电抗率 , K5 = 1/ n2 = 4 % ,电容器串抗率采用 6 % ,略大于串联谐振电 抗率 K5 ,电容器支路对 5 次谐波呈感性 ,电容器的 投入起到抑制 5 次谐波的作用 。
Sd
1. 3 n 次谐波谐振容量
当谐波电压放大倍率 f n 分母为零 ,即系统 n 次
谐波阻抗为零时 , f n → ∞,此时系统 n 次谐波电抗和
电容器容抗发生并联谐振。令式 (3) 中分母为零得
n 次谐波谐振容量为
Qc
=
S d (1/ n2 - K) (1 - K) 2
(4)
如电容器装置分组容量与串抗率选择不当 ,出
U
2 av
K) 2 Qcn
U av , U cn , S d , Qcn 分别为母线平均线电压 、电容
器额定电压 、母线短路容量和电容器组额定容量 。
经推导得
H=
X∑ Xc
=
Qcn (1 Sd
K) 2
(2)
式 (2) 代入式 (1) 得 n 次谐波放大倍率为
fn =
U k2 U k1
=|
n2 K - 1 n2 ( H + K) -
=
jIn
·nX ∑( nXL -
nX ∑ + nXL
Xc/ n) - Xc/ n
电容器投入后 ,母线 n 次谐波电压放大系数 f n 为
fn =
U k2 U k1
=|
n2 K - 1 n2 ( H + K) -
| 1
(1)
因
H
=
X∑ Xc , X ∑ =
U
2 av
Sd
Xc
=
U
2 cn
Qcn
=
(1 -
电容器串抗率的选择根据电网背景谐波成分及 以下原则进行 :
①背景谐波以 3 次谐波为主的 , 应考虑采用 12 %串抗率 ,此时电容器支路对 3 次以上谐波呈感 性 ,可完全避开 3 次谐波谐振范围 ,可抑制 3 次及以 上谐波 。
②背景谐波 3 次谐波含量不大 ,以 5 次以上谐 波为主的 ,考虑采用大于 4. 5 %～6 %串抗率 ,或 4. 5 %～6 %与 12 %两种串抗率 。此时电容器支路 对 5 次以上谐波呈感性 ,可完全避开 5 次及以上谐 波谐振范围 ,抑制 5 次及以上谐波 。
当式 (3) 中分子为零时 , f n = 0 ,电容器支路处 于 n 次谐波串联谐振点 ,则
K = 1/ n2
(5)
此时电容器组相当于 n 次谐波的滤波器 。根据
电网背景谐波成分 ,针对 n 次谐波接近串联谐振状
态 , 适当选择电抗率 K , K 取值应略大于 1/ n2 ,使电
路对 n 次谐波呈感性 ,起到分流 n 次谐波电流及抑
2008 年第 1 期 广西电力
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并联电容器谐波放大分析与电容参数选择建议
Analysis of Shunt Capacitor Harmonic Amplif ication and Suggestion on Capacitance Parameter Selection
表 2 六圩变电站电容器谐波电压放大倍率
测量点
投切方式
3 次谐波电压放大倍率
实测值
计算值
Ⅰ段母线 Ⅱ段母线
投 1 组电容器 投 2 组电容器 投 1 组电容器 投 2 组电容器
2. 63 7. 37 3. 19 6. 93
2. 34 6. 94 2. 36 6. 55
该变电站电容器 3 次谐波放大 ,虽未引起母线 谐波电压总畸变率超标 ,但随着负荷的发展 ,该变电 站即将接入电气化铁路等非线性负荷 ,注入电网的 3 次谐波随之增加 ,将引起母线谐波电压严重超标 , 并对电容器安全运行带来不利影响 ,甚至造成电容
易春芳
YI Chun - fang
(河池供电局 ,广西 河池 547000)
摘要 : 文章通过对电容器装置谐波放大倍数的理论计算 ,结合多个变电站电容器装置投切对谐波电压放大和抑制的实 例 ,证实了电容器装置对电网谐波的影响 。并提出为减少电容器装置对电能质量的影响 ,应对要投入的电容器装置的分组容 量和串抗率进行优化选择 。
XΣ ———系统基波总电抗 ; Xc ———电抗器基波容抗 ; XL ———串联电抗器基波感抗 。
1. 2 电容器组谐波电压放大倍率理论计算
在不计系统电阻情况下 , 电容器投入运行前母 线 n 次谐波电压为
U k1 = j I n ·n X ∑ 电容器投入后母线 n 次谐波电压为
U k2
=
j I n ·Zn
10 kV Ⅰ段 不投电容器 10 kV Ⅰ段 投 1 组电容器
表 3 永丰变电站电容器投切母线谐波电压放大倍率
基波相
电压/ kV
3
各次谐波电压含有率及电压总畸变率/ %
5
7
9
11
5. 81
0. 14
0. 70
0. 29
0. 06
1. 26
6. 04
0. 26
0. 440. 14Fra bibliotek0. 06
0. 65
投切方式
11 次谐波电压放大倍率
实测值
计算值
投 1 组电容器
0. 51
0. 61
2 个变电站电容器投切谐波放大实测值与采用 公式 (3) 的理论计算值基本相符 。不同的是前一例 因电容器参数选择不当引起 3 次谐波严重放大 ;后 一例电容器装置参数选择合适 ,未发生明显的谐波 放大 ,而且电容器的投入较好地抑制了背景谐波 。 由此可见 ,电容器装置参数的选择对电网电能质量 以及电容器装置的安全运行是非常重要的 。
关键词 :并联电容器 ;谐波放大 ;电容参数选择 中图分类号 : TM712 文献标识码 :B 文章编号 :1671 - 8380 (2008) 01 - 0043 - 04
0 引言
并联补偿电容器装置的投入将引起电网参数的 变化 ,电容器容抗与系统感抗在一定参数匹配条件 下 ,将引起谐振 ,使得谐波电压 、电流成倍放大 ,严重 时可能导致设备损坏 ,危及系统安全运行 。如果根 据电容器装置安装点处的电网背景谐波成分 ,合理 选择电容器串抗率 ,电容器装置的投入将起到抑制 谐波的作用 。文章通过理论计算 ,及变电站电容器 投切试验实例 ,阐述了电容器装置对电网谐波的影 响 ,并提出了电容器装置分组容量及串抗率优化选 择的建议 。
1 电容器装置 n 次谐波电压放大的理论计算
1. 1 等值电路 安装有并联电容器装置的系统接线原理图如图 1 (a) 所示 ,在母线上有非线性负荷形成的 n 次谐波电 流源 In ,则系统 n 次谐波等值电流图如图 1(b) 所示。
图 1 并联电容器装置等值电路图[1 ] 注 : I n ———n 次谐波电流 ; U k ———母线 n 次谐波电压 ;
测量点 Ⅰ段母线 Ⅱ段母线
投切方式
不投电容器 投 1 组电容器 投 2 组电容器 不投电容器 投 1 组电容器 投 2 组电容器
表 1 六圩变电站电容器投切谐波实测数据表
基波相 电压/ kV
3
各次谐波电压含有率及电压总畸变率/ %
5
7
9
11
13
5. 94 6. 14 6. 37 6. 01 6. 20 6. 48
13 0. 47 0. 29
T HDu
1. 64 0. 91
测量结果分析 : ①该电容器装置采用 6 %串抗率 ,对 5 次以上
谐波呈感性 ,电容器的投入起到抑制 5 次以上谐波 的作用 。
②该变电站 10 kV 母线背景谐波电压主要为 11 次谐波 (该变电站 110 kV 侧接有电解槽非线性 负荷) ,采用 n 次谐波放大倍率计算公式 ( 3) 对 11 次谐波放大倍数进行理论计算 ,计算结果见表 4 。 该电容器抑制 11 次谐波 ,谐波放大倍率 f n < 1 ,计 算值与实测放大倍数接近 。
0. 12 0. 10 0. 09 0. 13 0. 12 0. 11
THDu
0. 93 0. 84 2. 16 0. 91 1. 05 2. 21
测量结果分析 : ①投入 2 组电容器引起母线 3 次谐波电压放大
近 7 倍 。采用 n 次谐波放大倍率计算公式 (3) 对 3 次谐波放大倍数进行计算 ,计算结果见表 2 ,计算值 与实测值放大倍数接近 。
| 1
=|
n2 K - 1
n
2〔Q
cn
(
1 S
-
d
K) 2 +
K〕-
| 1
(3)
对于无串联电抗器的电容器装置 ,令 K = 0 ,则
n 次谐波放大倍率为
收稿日期 :2007 - 11 - 16
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广西电力 2008 年第 1 期
fn =
Sd n2 Qcn -
现母线中投入电容器容量接近或等于谐振容量 Qc
时 ,系统会发生严重的 n 次谐波放大 ,此时母线上
会出现谐波过电压 ,危及电容器组及系统设备的安
全运行 。进行电容器装置串联率和容量选择时 ,除
应避开谐振容量外 ,应核算各电容器投入组的 n 次
谐波放大倍数 ,避免母线谐波电压超过限值 。
1. 4 n 次谐波滤波器
③电容器的投入未引起 3 次谐波电压显著放 大 。采用 n 次谐波谐振容量公式 (4) 计算 10 kV 母 线 3 次谐波谐振容量为 19 Mvar ,电容器分组容量 为 11. 28 Mvar ,投 1 组或投 2 组时均可避开 3 次谐 波谐振容量 。
表 4 永丰变电站电容器谐波电压放大倍率
主变三侧电压等级为 220/ 110/ 10 kV ,10 kV 电容 器装置分组容量 12 000 kvar ,串抗率 6 %。测量时 变电站运行方式为 2 台主变分列运行 ,1 号主变带 10 kV 母线运行 。10 kV 母线投 1 组电容器和未投 电容器时谐波电压测量值见表 3 。
测量点
投切方式