公用電網(wǎng)諧波源查找與評估

吳 恒

（昆山市供電公司，江蘇 昆山 215334）

公用電網(wǎng)諧波是電能質(zhì)量的一項重要指標，它反映了電力系統(tǒng)中諧波污染程度，直接影響到電網(wǎng)和用戶電氣設(shè)備的正常安全運行[1]。接入電網(wǎng)的各種非線性設(shè)備，例如電弧爐、整流設(shè)備、電氣化鐵路、軌道交通等，所產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，是使供電電壓正弦波形產(chǎn)生畸變、電能質(zhì)量下降的主要原因。因此，對這些設(shè)備發(fā)出的諧波進行檢測并加以治理，是改善電能質(zhì)量的重要手段。

1 公用電網(wǎng)諧波源的查找

如果電力系統(tǒng)中存在嚴重的諧波污染，就有可能引起諧波故障，這時就必須確定諧波源的位置。下面介紹2個簡單的查找諧波源的辦法[2]。

第1種方法，將電壓或者電流波形畸變的時變曲線與用戶負荷的時間曲線進行對比。如果電壓畸變率發(fā)生變化的時間正好是交接班或者中午休息時間，那么諧波源很可能是工業(yè)用戶。利用一些時變特性，可以將諧波和某一類負載聯(lián)系起來。例如，諧波污染在用電負荷高峰期間歇性出現(xiàn)，則污染源設(shè)備極有可能是軋輥機、電弧爐、電焊機等具有間歇性工作特性的設(shè)備。

第2種方法，將待查輸電線路上所有接入的電容器組斷開，監(jiān)測線路上諧波電流的流向。正常的諧波電流是從非線性負荷流向系統(tǒng)的。根據(jù)這種規(guī)律，可以從變電站開始，逐個監(jiān)測諧波電流的流向，一直檢測到諧波源。因為電容器組會引起諧波諧振，所以必須將所有接入的電容器組切除才有效。當存在一個主要諧波源時，可以通過確定主導諧波分量的有功潮流方向來確定諧波源位置。通過快速傅里葉變換（FFT）可得到各個諧波分量的幅值和相角，將電壓和電流采用同一參照系，通過主導諧波分量的相角就可以確定諧波源的位置。

在實際工程應(yīng)用中，往往根據(jù)用戶及電力網(wǎng)絡(luò)的特點區(qū)別處理。

針對35kV及以上的大用戶，可以根據(jù)用戶主要用電設(shè)備的類型來判斷其是否為主要諧波污染源。一般來說，這些用戶大多具有軋輥機、電弧爐、中頻爐等典型非線性負荷設(shè)備。另外，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的推廣應(yīng)用，很多企業(yè)大量使用的整流設(shè)備和變頻設(shè)備也是當前諧波污染的重要組成部分。

對于線路結(jié)構(gòu)簡單，接入用戶類型較為單一的中壓配電線路，通常可以將上文中介紹的2種方法結(jié)合起來，用于查找諧波源。而對于較為復雜的配電網(wǎng)絡(luò)，特別是有大量居民小區(qū)和工商業(yè)用戶同時接入的線路，由于諧波源眾多，而且產(chǎn)生諧波類型復雜，此時單獨研究諧波源的特性已經(jīng)沒有太大的實際意義。這時應(yīng)該考慮在配網(wǎng)系統(tǒng)中安裝諧波濾波裝置進行治理。

2 非線性負荷接入公用電網(wǎng)時的諧波評估

2.1 評估原則

非線性負荷接入公用電網(wǎng)時的諧波評估，主要包括判斷諧波源產(chǎn)生諧波的類型、測試或者仿真該諧波源產(chǎn)生的諧波在當前電網(wǎng)參數(shù)下是否滿足國家標準要求、必要時應(yīng)采取的治理措施。

非線性負荷接入公用電網(wǎng)時的諧波評估，主要根據(jù)用戶的用電協(xié)議容量、供電設(shè)備的額定容量及供電系統(tǒng)的電壓等級和公共連接點處的最小運行方式下的短路容量等參數(shù)，計算該用戶注入電網(wǎng)諧波電流的允許值。然后根據(jù)該用戶諧波源設(shè)備的額定容量，測試或者仿真計算出該用戶實際注入電網(wǎng)的諧波電流值，與允許值進行比較。對于超標的用戶，應(yīng)按照其諧波類型和諧波源設(shè)備容量，提出治理方案。

工程上，Ihp單次諧波電流注入允許值，Uhp是根據(jù)相應(yīng)電壓等級的單次電壓諧波分量限值和該系統(tǒng)的基準短路容量Sk計算得到的，即

式中：Sk為公共連接點三相基準短路容量，MV·A；Uhp為第h次諧波電壓注入允許值，kV；Un為系統(tǒng)標稱電壓，kV。

GB/T 14549中，給出了各個電壓等級的基準短路容量和全部用戶注入公共接入（PCC）點的各次諧波電流允許值，便于在工程中使用。當公共連接點最小短路容量不同于基準短路容量時，可以按照實際的最小短路容量與基準短路容量的比值進行修正，得到全部用戶實際諧波電流注入允許值[3]：

在公共連接點同時接入多個用戶時，對于第i個用戶的第h次諧波電流注入允許值，可計算得到

式中：Si為第 i個用戶的用電協(xié)議容量，MV·A；ST為公共連接點的供電設(shè)備容量，MV·A；α為相位疊加系數(shù)，如表1所示，α按照表1取值。

表1 相位疊加系數(shù)

2.2 評估程序

一般針對工業(yè)負荷用戶，諧波評估的程序如下：

（1）確定PCC點，收集對該用戶供電的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)及運行方式；

（2）用戶用電設(shè)備的參數(shù)及接線方式；

（3）通過實際測量或者仿真計算的方式，確定用戶注入PCC點的總諧波電流值；

（4）根據(jù)實際系統(tǒng)在最小運方下的短路容量和用戶用電協(xié)議容量，按照式（1）和式（2），計算該用戶在PCC點注入各次諧波電流的允許值；

（5）如果該用戶的注入諧波電流值超標，則應(yīng)給出相應(yīng)的治理措施。

2.3 典型工業(yè)負荷的諧波評估

某35kV工業(yè)用戶的一次系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1 某35kV工業(yè)用戶一次接線圖

供電系統(tǒng)對該用戶的最小短路容量為429 MV·A，供電設(shè)備容量為90 MV·A。該用戶用電協(xié)議容量為10 MV·A，PCC點為主變高壓側(cè)。該用戶有3條10kV出線。3條10kV出線所接主要負載情況如表2所示。

表2 3條10kV出線所接主要負載情況

該用戶的中頻爐是通過12脈動整流設(shè)備供電的，因此工作時主要產(chǎn)生11，13次諧波。中頻爐設(shè)備正常工作時的功率因數(shù)為0.96～0.97，因此10kV母線上的無功補償設(shè)備未投入運行。對該用戶的PCC點的諧波水平進行了連續(xù)24 h的測試，其數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 24h測試數(shù)據(jù)

根據(jù)國家標準的規(guī)定，取測量時間段內(nèi)各項實測量95%概率值中最大一相值，作為判斷諧波電流是否超過允許值的依據(jù)。允許值是根據(jù)式（1）計算得到基準短路容量下的允許值后，再按照式（2）換算成實際最小短路容量下的諧波電流允許值。從測試結(jié)果可以看出，該用戶11，13次諧波超過國家標準的允許值，應(yīng)進行治理。考慮到該用戶諧波類型較為單一，可以采用無源濾波器進行治理。在對11，13次諧波進行濾波的同時，單調(diào)濾波器一般會對5，7次諧波產(chǎn)生放大作用，因此需要同時考慮加設(shè)5，7次諧波的濾波支路。

4 結(jié)束語

隨著我國發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)升級勢在必行。今后越來越多的高新技術(shù)用戶將出現(xiàn)在公用電網(wǎng)中，對電能質(zhì)量的要求也會越來越高。這些企業(yè)在對電能質(zhì)量提出高要求的同時，一般自身也是電能污染的源頭。治理電網(wǎng)諧波污染，不能再停留在“先污染、后治理”的層面上。預先對各類用戶的負荷性質(zhì)進行分析和評估，在用戶接入電網(wǎng)時同步投入電能質(zhì)量治理裝置，才是對公用電網(wǎng)污染的根治良方。

[1]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]許 遐.公用電網(wǎng)諧波的評估與調(diào)控[M].北京：中國電力出社，2008.

[3]GB/T 14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].