CN103199536A - 一种谐波情况下电容器组的投切方法 - Google Patents

Abstract

一种谐波情况下电容器组的投切方法，属于电容器组技术领域。以最大程度进行谐波的补偿。其技术方案是，首先确定变电站需补偿处的母线电压、无功需求和谐波情况，并由VQC确定确定需补偿的电容器组；其次给出变电站的等效数学模型，其中考虑了限流电抗器和变压器第三绕组在内的电抗值；最后将变电站的谐波情况总结为四种，针对每种谐波情况都给出了相应的考虑和计算方法来得到最优的补偿电容器组。本发明的有益效果是，给出了变电站电压无功控制中各种谐波情况下电容器组的投切策略，即在不同的谐波情况下，对不同电抗率的电容器组进行最优的组合，在满足电压无功控制的前提下以达到对谐波最大限度的补偿效果。

Description

一种谐波情况下电容器组的投切方法

技术领域

本发明属于电容器组技术领域，特别是提供了一种谐波情况下电容器组的投切方法，适用于变电站电压无功控制（VQC），以最大程度进行谐波的补偿。

背景技术

目前国内许多变电站已经装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联补偿电容器组。有载调压变压器可以在带负荷的情况下进行系统电压和无功的调节，并联补偿电容器组除了能够改善系统的功率因数外，还能够调节系统电压，维持系统电压稳定，提高供电质量。

在变电站电压无功控制中，控制策略已经由传统的九区图发展到现在的十二区图和十七区图等，控制策略更加完善。但电压无功控制常常以电压、无功和功率因数作为控制目标，较少考虑谐波。近些年来，谐波问题日益凸显，由于非线性负荷的迅速增加，注入电网的谐波电流也相应的增加，导致电网电压畸变日益严重，包括对并联电容器在内的多种电气设备造成危害，影响它们的安全运行。

为此，变电站并联电容器组中一般串接了一定电抗率的电抗器，以抑制高次谐波或限制合闸涌流，防止谐波对电容器造成危害，避免电容器装置的接入对电网谐波可能的过度放大。在实际变电站中，不同支路的电容器容量一般相同，但所串接电抗的电抗率可能不同，采用两种电抗率的情况较为普遍，在不同的无功功率需求情况下，不同电抗率的电容器支路的投切一般采用高电抗率的电容器支路先投入、低电抗率的电容器支路后投入的顺序，切除时相反。这样的投入方式在多数情况下是合理的，但在谐波较为严重的状况下，从谐波抑制角度，这种投入方式可能并不是一种较好的方式。为此，可在电容器投入运行前进行谐波具体情况的分析，从谐波抑制角度选择合适的电容器支路投入，以在满足电压无功控制的同时，充分利用电容器的谐波补偿作用，较好进行谐波的抑制，并避免电容器投入可能产生的谐波放大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐波情况下电容器组的投切方法，解决了现有变电站电压无功控制中常常以电压、无功和功率因数作为控制目标，却较少考虑谐波的问题。

本发明解决问题技术方案包括以下工艺步骤

步骤1：实际测量并计算变电站需补偿处的母线电压、无功需求和谐波情况，并由VQC确定需补偿电容器组的组数。

步骤2：给出变电站投切电容器进行谐波补偿的等效数学模型，其中考虑了限流电抗器和变压器第三绕组在内的电抗值。设谐波源的h次谐波电流为I_h，注入系统的谐波电流为I_sh，注入电容器组的谐波电流为I_ch。系统的h次谐波阻抗为X_sh=hX_s，各电容器支路的h次谐波容抗为X_c/h，串联电抗器的h次谐波感抗为hX_L，限流电抗器的h次谐波感抗为hX_X，变压器第三绕组的h次谐波感抗为hX_T3。假设变电站共有m组补偿电容器支路，所串电抗在h次谐波下的感抗值分别为hX_1L…hX_mL，其中高串抗率（通常为12%，以下按12%考虑）的电容器组有k组，低串抗率（通常为4.5%-6%，以下按4.5%考虑）的电容器组有m-k组。

步骤3：将谐波情况分为4种，针对不同的谐波情况，给出了不同的投切策略。

（1）对于谐波情况第一种和第二种，投切电容器组按给出的策略直接投切，具体内容如下：

第一种：系统无谐波的情况下或各次谐波均不超标时

①3次谐波低于αI_m3（如α取0.4，其中I_m3表示3次谐波电流，下同）时，只需投入低电抗率的电容器组。考虑到此时3次谐波含量较小，投入低电抗率的电容器组，不致引起3次谐波的较大放大与超标；同时，为节省运行费用，可按先投入低电抗率电容器组，再投入高电抗率电容器组的原则投入电容器。

②3次谐波高于αI_m3（如α取0.4）时，为了保证安全，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再分配剩余的n-1组。首先优先投入抵抗率的电容器组，若低电抗率的电容器组小于n-1，再加投高电抗率的电容器组。

第二种：如果系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波不超标，可先投入高串抗率的电容器组，再投入低电抗率的电容器组。

（2）对于谐波情况第三种中的第①种情况，按给出的策略直接投切；对于谐波情况第三种中的第②种情况和谐波情况第四种较为复杂，需要两个约束条件进行约束，来得到最优的补偿电容器组，具体内容如下：

第三种：如果系统内3次谐波不超标，5次及以上各次谐波（或其中某几次）超标

①3次谐波低于αI_m3（如α取0.4）时，因为此时只有3次谐波不超标，为了较好的抑制5次及以上各次谐波并不引起各次谐波放大，先投入低电抗率的电容器组，再投入髙电抗率的电容器组。

②3次谐波高于αI_m3（如α取0.4）时，为了保证安全，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再考虑剩余的n-1组如何分配。此时需要同时投入髙电抗率和低电抗率的电容器组，但此种情况下需进行两个约束条件的限制来得到最优的补偿电容器组。第一个约束条件为，设注入系统各次谐波的允许最大值分别为I_mh (h≥2)，只要所选电容器组投切后注入系统各次谐波电流均不超标，即I_sh≤I_mh (h≥2)，则该组为可考虑采纳组，如果有且只有一组满足约束条件一，则该组为最优组；但如果有几组同时满足此条件，则进行第二个约束条件下

的计算，选择满足约束条件一的各组中I_∑最小的组为最优组。

第四种：如果系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波（或其中某几次）也超标，则需投入串12%和4.5%的两种串抗率不同的电容器组，此种情况下同时采用谐波情况第三种下的两个约束条件进行最优的选择。

本发明的有益效果是：弥补了变电站电压无功控制中对谐波考虑较少的的缺点，将谐波情况进行了详细的分类，并给出了相应的电容器的投切策略。本发明可充分利用电容器的谐波补偿作用，在满足电压无功控制的同时，较好进行谐波的抑制。

附图说明

图1 最优电容器组投切流程图。

图2 电流分布示意图。

具体实施方式

本发明所述是涉及变电站电压无功控制中，考虑谐波情况下的电容器组的投切方法，操作流程可具体见图1所示。现结合图1与图2进行具体说明，应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

步骤1：变电站电压无功控制（VQC）策略有传统的九区图，以及由其发展而来的十二区图和十七区图等。变电站电压无功控制通过调节有载调压变压器分接头和投切并联补偿电容器组，来改善电压U、无功Q和功率因数，提高供电质量。在VQC判断出需投入n组电容器情况下，以下依据对谐波情况的分析，对本发明提出的电容器组的投切策略进行具体的说明。

步骤2：如图2所示为电流分布示意图，设谐波源的h次谐波电流为I_h，注入系统的谐波电流为I_sh，注入电容器组的谐波电流为I_ch。系统的h次谐波阻抗为X_sh=hX_s，各电容器支路的h次谐波容抗为X_c/h，串联电抗器的h次谐波感抗为hX_L，限流电抗器的h次谐波感抗为hX_X，变压器第三绕组的h次谐波感抗为hX_T3。假设变电站共有m组补偿电容器支路，所串电抗在h次谐波下的感抗值分别为hX_1L…hX_mL，其中高串抗率（通常为12%，以下按12%考虑）的电容器组有k组，低串抗率（通常为4.5%-6%，以下按4.5%考虑）的电容器组有m-k组。

步骤3：下面给出一种考虑谐波补偿时投切电容器组的方法，以最大程度进行谐波的补偿。如上所述，假设系统为了达到补偿目的，已有p（0≤p≤k）组髙电抗率的电容器投入，q（0≤q≤m-k）组低电抗率的电容器投入，在此基础上由VQC确定需补偿的电容器组数为n（n≤m-p-q）。

1）系统无谐波的情况下或各次谐波均不超标时

①3次谐波低于αI_m3（如α取0.4）时，只需投入低电抗率的电容器组。考虑到此时3次谐波含量较小，投入低电抗率的电容器组，不致引起3次谐波的较大放大与超标；同时，为节省运行费用，可按先投入低电抗率电容器组，再投入高电抗率电容器组的原则投入电容器：

a）若m-k-q≥n，则投入n组串4.5%的电容器；

b）若m-k-q<n，则投入m-k-q组串4.5%的电容器，此外还需投入n-(m-k-q)组串12%的电容器。

②3次谐波高于αI_m3（如α取0.4）时，为了保证安全，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再考虑剩余的n-1组如何分配。

a）若m-k-q≥n-1，则投入n-1组串4.5%的电容器；

b）若m-k-q<n-1，则投入m-k-q组串4.5%的电容器，此外还需投入n-1-(m-k-q)组串12%的电容器。

2）如果系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波不超标时

在该种谐波情况下，为了抑制3次谐波，可先投入高串抗率的电容器组，再投入低电抗率的电容器组。

a）若k-p≥n，则投入n组串12%的电容器；

b）若k-p<n，则投入k-p组串12%的电容器，此外还需投入n-(k-p)组串4.5%的电容器。

3）如果系统内3次谐波不超标，5次及以上各次谐波（或其中某几次）超标时

考虑到该种谐波情况下较为复杂，现进行详尽说明。假设系统以3、5、7次谐波为主，高电抗率电容器支路中电抗为X_Lg，低电抗率电容器支路中电抗为X_Ld，此时m组电容器支路的阻抗和为X_∑，

$X_{\mathrm{\&Sigma;}}=\frac{\frac{1}{k}({\mathrm{hX}}_{\mathrm{Lg}}-\frac{X_c}{h})\&times;\frac{1}{m-k}({\mathrm{hX}}_{\mathrm{Ld}}-\frac{X_c}{h})}{\frac{1}{k}({\mathrm{hX}}_{\mathrm{Lg}}-\frac{X_c}{h})+\frac{1}{m-k}({\mathrm{hX}}_{\mathrm{Ld}}-\frac{X_c}{h})}$

注入系统h次谐波电流为：

$I_{\mathrm{sh}}=\frac{X_{\mathrm{\&Sigma;}}+h{X}_X+h{X}_{T3}}{X_{\mathrm{\&Sigma;}}+h{X}_X+h{X}_{T3}+h{X}_s}\&times;I_h---\left(2\right)$

注入系统总谐波电流为：

$I_{\mathrm{\&Sigma;}}=\sqrt{{{\mathrm{\&Sigma;I}}_{\mathrm{sh}}}^2}(h\&GreaterEqual;2)---\left(3\right)$

为了最大程度进行谐波的补偿，在此给出两个约束条件。第一个约束条件为，设注入系统各次谐波的允许最大值分别为I_mh (h≥2)，只要所选电容器组投切后注入系统各次谐波电流均不超标，即由（2）式得到I_sh，I_sh≤I_mh (h≥2)，则该组为可考虑采纳组，如果有且只有一组满足约束条件一，则该组为最优组；但如果有几组同时满足此条件，则进行第二个约束条件下的计算，该约束条件关系式可由（3）式得到，选择满足约束条件一的各组中I_∑最小的组为最优组。

①3次谐波低于αI_m3（如α取0.4）时，因为此时只有3次谐波不超标，为了较好的抑制5次及以上各次谐波并不引起各次谐波放大，先投入低电抗率的电容器组，再投入髙电抗率的电容器组。

a）若m-k-q≥n，则投入n组串4.5%的电容器；

b）若m-k-q<n，则投入m-k-q组串4.5%的电容器，此外还需投入n-(m-k-q)组串12%的电容器。

②3次谐波高于αI_m3（如α取0.4）时，为了保证安全，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再考虑剩余的n-1组如何分配。

a）若k-p≤n-1，假设选12%和4.5%串抗率的电容器组数分别为x和y，则x、y可参照表1取值：

表1串抗率分别为12%和4.5%的电容器组数x、y的取值

b）若k-p>n-1，假设选12%和4.5%串抗率的电容器组数分别为x和y，则x、y可参照表2取值：

表2串抗率分别为12%和4.5%的电容器组数x、y的取值

将对应的x，y值分别代入式（1），此时k=x+1+p，m-k=y+q，再由式（2）求出各次谐波电流值；然后通过约束条件一进行初步的排选，若有多组同时满足约束条件一，则将满足的这些组带入约束条件二进行判断，得出最优补偿组。

4）如果系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波（或其中某几次）也超标时

在该种谐波情况下，为了抑制各次超标谐波，则需投入串12%和4.5%的两种串抗率不同的电容器组，同时采用谐波情况3）下的两个约束条件进行最优的选择。

a）若k-p≤n，假设选12%和4.5%串抗率的电容器组数分别为x和y，则x、y可参照表3取值：

表3串抗率分别为12%和4.5%的电容器组数x、y的取值

b) 若k-p>n，假设选12%和4.5%串抗率的电容器组数分别为x和y，则x、y可参照表4取值：

表4串抗率分别为12%和4.5%的电容器组数x、y的取值

将对应的x，y值分别代入式（1），此时k=x+p，m-k=y+q，再由式（2）求出各次谐波电流值；然后通过约束条件一进行初步的排选，若有多组同时满足约束条件一，则将满足的这些组带入约束条件二进行判断，得出最优补偿组。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种谐波情况下电容器组的投切方法，其特征在于，包括以下工艺步骤

步骤1：实际测量并计算变电站需补偿处的母线电压、无功需求和谐波情况，并由VQC确定需补偿电容器组的组数；

步骤2：给出变电站投切电容器进行谐波补偿的等效数学模型，其中考虑了限流电抗器和变压器第三绕组在内的电抗值；

步骤3：将谐波情况分为4种，针对不同的谐波情况，给出了不同的投切策略；

（1）对于谐波情况第1种和第2种，投切电容器组按给出的策略直接投切，具体内容如下：

第一种：系统无谐波的情况下或各次谐波均不超标时

①3次谐波低于αI_m3时，如α取0.4， I_m3表示3次谐波电流最大值，只需投入低电抗率的电容器组；考虑到此时3次谐波含量较小，投入低电抗率的电容器组，不致引起3次谐波的较大放大与超标；同时，为节省运行费用，可按先投入低电抗率电容器组，再投入高电抗率电容器组的原则投入电容器；

②3次谐波高于αI_m3，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再分配剩余的n-1组；首先投入抵抗率的电容器组，若低电抗率的电容器组小于n-1，再加投高电抗率的电容器组；

第二种：当系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波不超标，可先投入高串抗率的电容器组，再投入低电抗率的电容器组；

（2）对于谐波情况第三种中的第①种情况，按给出的策略直接投切；对于谐波情况第三种中的第②种情况和谐波情况第四种，需要两个约束条件进行约束，来得到最优的补偿电容器组，具体内容如下：

第三种：当系统内3次谐波不超标，5次及以上各次谐波超标

①3次谐波低于αI_m3时，因为此时只有3次谐波不超标，为了较好的抑制5次及以上各次谐波并不引起各次谐波放大，先投入低电抗率的电容器组，再投入髙电抗率的电容器组；

②3次谐波高于αI_m3时，在高电抗率电容器组未全部投入情况下，先投入一组12%串抗率的电容器，防止3次谐波放大，然后再分配剩余的n-1组；此时需要同时投入髙电抗率和低电抗率的电容器组，但此种情况下需进行两个约束条件的限制来得到最优的补偿电容器组；

第一个约束条件为，设注入系统各次谐波的允许最大值分别为I_mh ，h≥2，只要所选电容器组投切后注入系统各次谐波电流均不超标，即I_sh≤I_mh ，h≥2，则该组为考虑采纳组，当有且只有一组满足约束条件一，则该组为最优组；

当有几组同时满足此条件，则进行第二个约束条件下

的计算，选择满足约束条件一的各组中I_∑最小的组为最优组；

第四种：当系统内3次谐波超标，5次及以上各次谐波也超标，则需投入串12%和4.5%的两种串抗率不同的电容器组，此种情况下同时采用谐波情况第三种下的两个约束条件进行最优的选择。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的等效数学模型：设谐波源的h次谐波电流为I_h，注入系统的谐波电流为I_sh，注入电容器组的谐波电流为I_ch。系统的h次谐波阻抗为X_sh=hX_s，各电容器支路的h次谐波容抗为X_c/h，串联电抗器的h次谐波感抗为hX_L，限流电抗器的h次谐波感抗为hX_X，变压器第三绕组的h次谐波感抗为hX_T3。共有m组补偿电容器支路，所串电抗在h次谐波下的感抗值分别为hX_1L…hX_mL，其中高串抗率的电容器组有k组，低串抗率的电容器组有m-k组。

Images