低压配电系统谐波共振评估方法

《Electric Power Systems Research》：Method for harmonic resonance assessment in low voltage distribution systems

　　

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  低压系统中的谐波共振取决于变压器、电容器以及负载，而与低压线路和电路拓扑结构无关。
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  所提出的图表无需通过仿真即可确定安全的电容器-变压器组合。
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  通过建立查表机制，可快速筛选并辅助确定电容器安装位置。
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  该方法已在36,000多套实际低压系统中得到验证，准确度较高。
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  即便在存在分布式能源资源的电路中，该方法依然有效，因为这类资源通常能降低谐波放大效应。

引言

当在 Medium Voltage 配电系统中安装并联电容器以提供电压支撑和功率因数校正时，电力工程师需要对共振现象进行评估。他们会研究电容器在低阶谐波频率附近引发共振的可能性，若确实出现谐波共振，则需判断其严重程度[1]。在巴西，电力公司开始在低压系统中安装并联电容器，旨在寻求成本更低的局部电压及无功功率支持方案[2]。尽管这种做法在技术和经济层面都较为合理，但这些电容器仍可能引发低压共振问题，而这并非规划低压系统时的传统考量因素。为评估此类低压共振的严重程度，人们可以考虑采用用于分析 Medium Voltage 系统共振的成熟方法，这些方法可分为基于仿真的方法和解析方法。基于仿真的方法包括谐波功率流分析和频率扫描分析[3]；解析方法则包括通过系统短路水平与电容器尺寸的比值来确定系统中的共振频率[4]，以及其他基于图表的评估技术[5]。

这些共振评估技术可直接应用于低压系统研究。但实际工作中，负责低压系统研究的工程师往往不熟悉谐波相关分析，因此对其应用存在顾虑。例如，谐波功率流分析需要专业的知识以及关于系统中谐波源的详细信息，而这些在实践中往往难以获取。此外，要全面掌握所有共振特性，可能需要进行大量谐波功率流仿真。虽然频率扫描是一种简单的方法，但它无法直接判断某种共振是否会对系统造成危害。最后，尽管[5]中提到的基于图表的方法能提供更多关于共振特性的信息，但它依赖于“共振指数”这一概念，而该概念并非传统概念，因此负责低压系统分析的工程师可能难以将其应用。因此，理想的情况是能有一种方法，让工程师仅依据电力系统中实际可获取的信息，如电容器尺寸和变压器容量，就能快速判断共振风险，而无需进行任何仿真。只有那些关键场景才需要进一步深入分析，这样可以缩小需要开展详细分析的场景范围，从而为工程师节省大量时间。

基于此，本文提出了一种系统且实用的方法，帮助工程师快速判断低压电容器安装是否存在共振风险。该方法通过推导三种图表，仅需利用低压系统规划人员容易获取的有限信息，如变压器和电容器尺寸，即可快速了解系统中的共振风险。这些图表是通过简单公式推导得出的，无需进行任何计算机仿真。不同图表对应不同的数据可用情况以及不同的研究目标。此外，本文还提出了查表机制，以便在使用预定义的标准变压器尺寸时进一步简化分析流程。同时，本文也分析了近几十年来数量不断增加的单相分布式能源资源对所提图表的影响。

本文的结构如下：第2节阐述了影响低压系统共振严重程度的关键参数；第3节推导了三种用于快速评估谐波共振风险的图表；第4节展示了针对特定变压器的风险评估查表；第5节介绍了验证研究结果；第6节分析了分布式能源资源的影响；第7节为讨论部分，第8节为结论部分。

章节概要

低压谐波共振的特性分析

本节研究了在服务变压器的低压侧安装并联电容器时，低压系统中共振的特性。其目的是确定影响共振频率和放大程度的关键因素，这些因素可用于简化的初步风险评估。图1展示了低压系统的等效电路，它由 Medium Voltage 系统、服务变压器，以及表示低压系统在各种谐波条件下的负载和线路的整体结构组成。

所提图表的推导过程

本节介绍了用于快速评估带有并联电容器的低压系统共振风险的图表的解析推导过程。

查表机制

所提图表适用于所有尺寸的变压器，若采用表3[15]中列出的预定义标准变压器尺寸，还可进一步简化这些图表。

工程师可以将这些图表简化为一份查表，列出实际使用中应避免的变压器与电容器组合。该查表可通过保守的方式制定，即考虑电力系统低压侧的最低日负荷。对于每种变压器，都可以据此确定对应的

验证研究

本节对用于推导所提图表的解析方法进行了验证。验证是通过将所提解析方法得出的图表边界值，与针对36,697套实际低压系统开展的详细仿真研究结果进行对比来完成的。这些系统具有不同的变压器型号、电路拓扑结构、导线类型，以及不同数量的单相、双相和三相用户。这些系统均为辐射型四线制系统。相关数据见表5和表6。

单相分布式能源资源的影响

现代低压系统中存在的分布式能源资源，尤其是光伏发电装置，会给配电企业带来谐波影响的担忧。除此之外，这类光伏发电装置大多为单相设备（连接在2相或3相用户的相间电路上，或连接在1相用户的相-中性线电路上）。它们通过单相电压源转换器与系统相连。图21展示了一个典型的

讨论

所提出的方法适用于负载以线性为主的典型低压系统。而对于包含特殊非线性负载的低压系统，则需要由专业工程师通过详细的谐波分析来进行评估，这也是电力企业通常采用的方案。因此，这些建议方法适合用于初步的共振风险评估，而复杂场景则仍需通过详细仿真进行分析。所采用的简化方式符合提供

结论

在低压配电系统中安装并联电容器会带来谐波共振的风险。本文研究表明，决定这种共振特性的关键参数是电容器和变压器的功率容量以及整个电路的负载总量。基于这一研究结果，本文提出了三种图表，用于快速评估低压系统中的谐波共振风险。前两种图表有助于在确定低压系统的相关参数后，找出安全的电容器尺寸

CRediT作者贡献说明

巴尔巴拉·罗萨多：撰写——初稿、验证、方法论、概念设计。里卡多·托尔夸托：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、概念设计。安德烈斯·阿圭略：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。瓦尔米尔·弗雷塔斯：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。

巴尔巴拉·罗萨多|里卡多·托尔夸托|安德烈斯·阿圭略|瓦尔米尔·弗雷塔斯