用系統設計的方法進行高壓無功補償裝置的設計

謝彩霞

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北武漢 430070）

用系統設計的方法進行高壓無功補償裝置的設計

謝彩霞

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北武漢 430070）

由于采用傳統方法設計的無功補償裝置存在著不足，經常出現燒毀電容器或電抗器的事故，為了克服這些不足，提出了一種基于系統設計的方法進行無功補償的設計。通過詳細的理論推導以及這兩種設計方法在具體工程中的應用對比分析和專用工程軟件計算機仿真，仿真結果和前后諧波改善效果對比表明采用系統設計的方法能有效避免裝置發生諧振而燒毀器件的危險現象。

無功補償裝置；電抗率；系統阻抗；串聯諧振

1 無功補償裝置傳統設計方法

在工廠6～10 kV高壓配電系統中，大量采用串電抗器的高壓無功補償。設備運行過程中經常出現燒電容器或電抗器的事故，究其原因是電抗器電抗率的選擇與電網系統參數不匹配。現從系統設計的角度來分析無功補償裝置設計應注意的問題。

傳統無功補償及無源濾波裝置通常由濾波電容器、串聯電抗器適當組合而成，其與電網中諧波源并聯，對系統進行無功補償兼濾波。在實際工程應用中，設計院一般只給出需要的補償容量，而設備成套廠家往往簡單地根據設計院給出的補償容量，選擇額定容量與該補償容量值相同的濾波電容器組，串聯電抗器一般選擇電抗率為12%、6%、4.5%中的一種，組成等容或不等容的無功補償支路。該方法實施簡單易行，但設計比較粗糙，某些具體的工業應用場合設備運行效果不好，還有可能與系統產生諧振出現燒毀電容器或電抗器的事故。

2 基于系統設計思想設計無功補償裝置

電力系統中的諧波源可等效為電流源，其主要特征是外阻抗變化時電流不變，當電力系統有諧波源時無功補償裝置的簡化電路如圖1所示[1]。

圖1 電力系統簡化電路圖

設濾波電容器組額定容量為QC,與之對應的串聯電抗器額定容量為QL，電抗器電抗率為K。串聯電抗器額定容量等于電容器的額定容量乘以電抗率（單相和三相均可按此簡便計算）[2]。

式中，I1為該無功補償支路上的基波電流，XL1為電抗器基波電抗，XC1為電容器基波電抗。

圖2 諧波電流等效電路模型

由圖2中諧波電流等效電路模型可以得出流入系統諧波電流、電容器中吸收的諧波電流以及并聯諧波阻抗分別如下：

式中，n——諧波次數；

In——諧波源的n次諧波電流；

Isn——流入電網系統中的諧波電流，

ICn——流入電容器中的諧波電流；

XS——系統等效基波短路阻抗。

當電網中有諧波電流源時，由式（4）可以整理得到諧波電流放大率為：

式中，s=XS/XC1=QC1/Sd，Sd為無功補償裝置接入電網處母線的短路容量；

QC1——無功補償裝置基波有效容量。

在不考慮系統阻抗影響的情況下，該無功補償通道上并聯電容器與串聯電抗器組成串聯諧振電路，當滿足式（5）的分子為零時就能濾去特定次數的諧波，即可以得到如下的表達式[3]：

式（9）中n即為發生串聯諧振的特定諧波次數。當電抗器電抗率K分別取12%，6%，4.5%時，則發生串聯諧振的諧波次數n分別為2.89，4.08，4.71。

由以上分析可以看出，傳統無功補償裝置實質上還是濾波器（不同的電抗率器對應不同的濾波器調諧頻率），濾波器的設計必須考慮系統阻抗；如果不考慮系統阻抗的影響，當同時投入多組無功補償裝置時，在某種運行情況下，可能使2、3、4次諧波中的某一次諧波嚴重放大，威脅到無功補償裝置設備和電網的安全。

3 工程應用分析

3.1 具體工程應用背景

某鋼廠新建煉鋼連鑄35/10 kV開關站一座，其10 kV開關站為單母線分兩段主接線，即 I、II段母線。I，II段母線最大短路容量為：190 MVA（阻抗標幺值 0.52848，0.5826 Ω），最小短路容量為 152 MVA（阻抗標幺值0.657，0.7243 Ω）。

煉鋼連鑄35/10 kV開關站10 kV系統負荷中連鑄及轉爐車間有部分整流變壓器，會產生少量的高次諧波電流，由該工程相關資料，并考慮背景諧波得出系統主要諧波源如表1所示。可以看出各次諧波電流均在國家諧波標準限值內[4]，不需要設計專門濾波器，只需要安裝無功補償裝置。根據負荷計算，其10 kV開關站I、II段母線上需要分別新增3組10 kV，3600 kvar無功補償裝置，提高10 kV母線功率因數，從而滿足正常生產用電要求。

表1 系統主要次數諧波電流

3.2 傳統設計方法具體應用

以I段母線為例，在該段母線上裝設3組10 kV，3600 kvar無功補償裝置，以下是按傳統設計方法設計的無功補償裝置參數，如表2所示。

表2 傳統方法設計的無功補償裝置參數表

從表2可以看出I段母線上的3組無功補償裝置安裝容量均為3600 kvar，滿足設計要求，但每組無功補償裝置均選用電抗率為6%串聯電抗器。

而在通過專用工程軟件下通過計算機仿真，可以得到無功補償裝置在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下的運行狀況，如圖2所示。其中圖2中曲線代表系統與無功補償裝置的綜合阻抗曲線，直線代表系統阻抗曲線。由圖2中仿真結果顯示，當3組串聯電抗器電抗率均選為6%且3組都投入時，在最小或最大系統工作方式下均會發生無功補償裝置與系統并聯諧振的現象，且諧振頻率發生在150 Hz附近，引起3次諧波嚴重放大。這樣可能會燒毀裝置設備，甚至危及電網運行安全，因此這種情況必須加以避免。

圖2 傳統方法設計的無功補償裝置的運行狀況

3.3 系統設計方法具體應用

仍然以I段母線為例，在該段母線上裝設3組（套）10 kV，3600 kvar無功補償裝置，以下是采用系統設計方法設計的無功補償裝置參數，見表3。

表3 采用系統方法設計的無功補償裝置參數表

由表3可知，為滿足設計要求和更好做前后對比分析，I段母線上的3組無功補償裝置（C1/C2/C3）安裝容量仍然均為3600 kvar，但每組無功補償裝置不再均選用電抗率為6%串聯電抗器，而是無功補償裝置C1選用電抗率為12%的串抗(相當于H3濾波器)，C2選用電抗率為6%的串抗(相當于H4濾波器)，C3選用電抗率為4.5%的串抗 (相當于H5濾波器)。雖然無功補償裝置C1選擇電抗率為12%的串抗，相比傳統設計C1選擇電抗率為6%的串抗，成本要高一些,但是無功補償裝置C3選擇的串抗電抗率為4.5%卻要比6%的串抗便宜一些，這樣計算下來裝置總的成本相差不是很大。同時，從圖3的仿真結果明顯可以看出，基于系統設計方法設計的無功補償裝置在系統最小運行方式及系統最大運行方式下均不會發生并聯諧振現象。

3.4 兩種設計方法諧波改善效果對比分析

圖3 基于系統設計方法設計的無功補償裝置的運行狀況

為進一步對比分析基于兩種設計方法設計出的裝置的運行效果，通過專用工程軟件進行計算機仿真，得到投入裝置前后在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下系統諧波電流改善效果對照表，分別如表4、5所示。

表4 傳統方法設計的裝置投入前后諧波改善效果對照表

從表4、5可以明顯看出，當采用傳統設計方法的無功補償裝置投入后，導致系統3次諧波電流嚴重放大，在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下3次諧波電流分別放大6.57倍和10.35倍，而采用系統方法設計的裝置投入后在兩種工作方式下3次諧波電流都沒放大，避免了并聯諧振現象的發生。因此采用系統設計方法設計的無功補償裝置能根據系統具體情況設計適應的方案，因而更加安全可靠，效果更好。

4 結論

采用基于系統設計的思想來設計無功補償裝置，即將無功補償裝置的設計與電網系統結合起來，綜合考慮系統阻抗的影響，使電抗器電抗率的選擇與電網系統參數匹配，從而避免上述危險現象的發生，降低風險成本。

表5 基于系統方法設計的裝置投入前后諧波改善效果對照

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]陳佰勝.串聯電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇[J].電網技術，2003，27(12)：92-95.

[3]鞠非.無功補償電容器串聯電抗器的選擇[J].電力電容器，2006，6(6)：4-7.

[4]GB／T14549—1993，電能質量公用電網諧波[S].

表1 方案優缺點對比

4.2 方案實施

（1）切除SVG后，電網質量未有明顯變化，但是功率因數下降，且整流單元跳閘的現象還是有發生。因此此方案放棄。

（2）調整傳動系統參數，將閾值放大，整流單元跳閘現象依然有發生。因此此方案放棄。

（3）將目前使用的數字量控制的TCB板全部更換為模擬量控制TCB板。

（4）目前低壓進線電壓較高，設備未運行時低壓進線電壓達到744 V左右（要求為660～690 V± 10%），分廠可將變壓器二次側降低一檔后投入使用。

方案（3）、（4）實施后，系統再未出現類似故障。整流單元頻繁跳閘故障得以解決。

5 結論

影響整流單元跳閘的因素錯綜復雜，因此通過對故障現象的分析結合魚骨圖分析法，從人、機、料、法、環5個方面對可能造成故障的原因進行了詳細分析，并針對結果進行分析驗證，確認了最終的故障原因，并針對故障原因制定了解決措施，最終解決了大棒分廠S120變頻器整流單元頻繁跳閘的故障。

收稿日期：2015－03－20

作者簡介：施洪亮（1970－），男，1993年畢業于河海大學電力系統及其自動化專業，工程師，現從事冶金企業電氣自動化管理工作。

Using System Design Method to Design High-voltage Var Compensation Device

XIE Caixia
（Wuhan Branch of Shanghai Hoto Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430070,China）

Var compensation device designed with traditional methods has shortcomings often causing accidents of burning the capacitor or reactor.To overcome these problems,a design of var compensation device based on system design method was put forward.Through detailed theoretical analysis,comparative analysis of applications of the two design methods in actual projects,simulation with special engineering software and comparison of the simulation results with improved performance of harmonics,it was revealed that using the system design method could effectively avoid the occurrence of resonance and the risks of burning elements.

var compensation device;reactance ratio;system impedance;series resonance

TM714.3

B

1006-6764(2015)06-0004-04

2014－04－10

謝彩霞（1976－），女，2000年畢業于武漢水利電力大學計算機應用專業，助理工程師，現從事電氣工程設計工作。