配電網(wǎng)諧波治理降損效果實(shí)證方法

葛少云，董佳霖，劉福潮，劉洪（.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津30007；.甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州730050）

配電網(wǎng)諧波治理降損效果實(shí)證方法

葛少云1，董佳霖1，劉福潮2，劉洪1
（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州730050）

針對(duì)配電網(wǎng)諧波治理前后的負(fù)荷水平不完全一致所導(dǎo)致的諧波治理真實(shí)節(jié)能效果無法量化的問題，以將諧波治理前后的負(fù)荷狀態(tài)化歸至同一水平為目標(biāo)，提出了配電網(wǎng)諧波治理降損效果實(shí)證方法。首先對(duì)主要電力設(shè)備諧波損耗倍數(shù)進(jìn)行原理分析；進(jìn)而得到諧波損耗的數(shù)學(xué)模型，并給出了配電網(wǎng)諧波損耗與基波損耗的關(guān)系；最后將諧波治理前后的網(wǎng)絡(luò)基波損耗值化歸為同一基準(zhǔn)，提出了諧波損耗折算值求解的方法，得到了諧波治理后的真實(shí)節(jié)能量，并通過算例驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性和有效性。

諧波損耗模型；諧波損耗倍數(shù)；諧波損耗量測(cè)；降損效果量化；折算值

電網(wǎng)作為電力輸送的主要載體，在發(fā)電、輸電、配電、用電等各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)將節(jié)能降損作為工作的重心。配電環(huán)節(jié)由于其巨大的節(jié)能潛力，更是節(jié)能降損研究的重中之重[1]。如今大量非線性負(fù)荷的出現(xiàn)使電網(wǎng)的諧波污染問題日益嚴(yán)重。由于配電網(wǎng)與作為諧波源的各類非線性負(fù)荷處于同一電壓等級(jí)，因此配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)總損耗受諧波損耗的影響最大，對(duì)于配電網(wǎng)降低諧波損耗的研究也就更為必要。

現(xiàn)階段市場(chǎng)上的各類濾波器已應(yīng)用于諧波治理中，有效減小了配電網(wǎng)的諧波網(wǎng)絡(luò)損耗，而關(guān)于諧波治理對(duì)于降低諧波損耗量化解析的相關(guān)研究仍存在不足。文獻(xiàn)[2]提出一種利用疑似諧波注入節(jié)點(diǎn)的輔助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞ǚ治鼍W(wǎng)絡(luò)可觀性的方法，可用于量測(cè)點(diǎn)少或量測(cè)點(diǎn)分離等諧波狀態(tài)局部可觀電網(wǎng)的分析計(jì)算，但該方法只是對(duì)電網(wǎng)中的諧波狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并沒有給出諧波損耗的量測(cè)方法；文獻(xiàn)[3]以實(shí)際電網(wǎng)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立計(jì)算諧波損耗的簡(jiǎn)易模型，提出了估算電網(wǎng)諧波損耗的方法，卻沒有關(guān)于諧波治理節(jié)能效果的量化研究。

本文以配電網(wǎng)為研究對(duì)象，在量測(cè)得到諧波治理前后的網(wǎng)絡(luò)諧波損耗和各高次諧波電流含有率的基礎(chǔ)上，通過對(duì)諧波損耗數(shù)學(xué)模型的分析，提出了配電網(wǎng)諧波治理降損效果實(shí)證的思路和方法。在對(duì)西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過算例驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性和有效性。

1 配電網(wǎng)諧波損耗的數(shù)學(xué)模型

從電力設(shè)備的角度看，每類設(shè)備的損耗包含基波損耗和諧波損耗兩部分。研究表明，對(duì)于各類設(shè)備，諧波損耗是基波損耗的某附加倍數(shù)，并具有相同的形式[4]，即

式中：ΔAsx為某類設(shè)備的諧波損耗值；ΔAs1為某類設(shè)備的基波損耗值；n為諧波次數(shù)；HRIn為第n次諧波電流含有率，是第n次諧波電流與基波電流的比值，表示為In/I1；C1和C2為諧波損耗指數(shù)，不同設(shè)備、不同含義的附加損耗指數(shù)不同。從電力設(shè)備的角度看，網(wǎng)絡(luò)諧波損耗最終體現(xiàn)在電力設(shè)備的損耗上。由于變壓器和線路為配電網(wǎng)中的主要電力設(shè)備，因此重點(diǎn)研究變壓器和線路的諧波損耗倍數(shù)。變壓器和線路的諧波損耗倍數(shù)如表1所示。

表1 變壓器和線路的諧波損耗倍數(shù)Tab.1 Harmonic losses multiples oftransformers and lines

由表1可見，變壓器和線路的諧波損耗均與系統(tǒng)內(nèi)各高次諧波電流含有率HRI密切相關(guān)，各高次諧波電流含有率HRI反映了各高次諧波的電流的相對(duì)大小，取決于配電系統(tǒng)內(nèi)非線性負(fù)載設(shè)備的性能參數(shù)值[5]。

因此，可將配電網(wǎng)諧波損耗按照變壓器和線路不同的諧波損耗類型進(jìn)行分解，即

式中：ΔAr為變壓器繞組基波損耗；ΔAc為變壓器鐵心磁滯基波損耗；ΔAw為變壓器鐵心渦流基波損耗；ΔAl為線路基波損耗。

設(shè)在基波總損耗中，變壓器繞組損耗、變壓器鐵心磁滯損耗、變壓器鐵心渦流損耗、線路損耗分別占基波總損耗的比例為a1、a2、a3、a4，其中a1、a2、a3、a4與所研究網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、變壓器參數(shù)、線路參數(shù)和負(fù)荷狀態(tài)等因素相關(guān)，代入式（2）可得到諧波損耗的數(shù)學(xué)模型為

2 諧波治理降損效果實(shí)證

2.1 諧波治理降損效果實(shí)證分析的思路

在進(jìn)行諧波治理對(duì)電網(wǎng)降損效果實(shí)證前，需要先量測(cè)得到諧波治理前后的配電網(wǎng)諧波損耗值，分別設(shè)為ΔAx，bef和ΔAx，aft。由于諧波治理前后的典型量測(cè)日的配電網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)并不完全一樣，導(dǎo)致兩個(gè)典型量測(cè)日每對(duì)應(yīng)時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)有功功率P、無功功率Q和網(wǎng)絡(luò)電壓U并不完全一致，故衡量諧波治理對(duì)電網(wǎng)降損的影響時(shí)，ΔAx，bef與ΔAx，aft不具備直接可比性，將負(fù)荷狀態(tài)不一致的因素排除后，分析諧波治理對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗降低的影響才具有實(shí)際意義。

若2個(gè)量測(cè)日的負(fù)荷狀態(tài)完全一致，在相同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，這2個(gè)量測(cè)日中配電網(wǎng)的基波損耗值也應(yīng)相同[6]。因此，將2個(gè)量測(cè)日的基波損耗值化歸至同一基準(zhǔn)，在一定程度上即是將該2個(gè)典型量測(cè)日的負(fù)荷狀態(tài)化歸于同一水平。

2.2 諧波治理降損效果實(shí)證分析的方法

本方法在配電網(wǎng)諧波損耗量測(cè)與應(yīng)用諧波損耗模型的基礎(chǔ)上，得到諧波治理前后的2個(gè)量測(cè)日的網(wǎng)絡(luò)基波損耗值。在選取基波損耗的基準(zhǔn)值后，通過計(jì)算將基波損耗基準(zhǔn)值折算為該基準(zhǔn)值下對(duì)應(yīng)的諧波損耗值，這是本方法的核心所在。將同一基波損耗基準(zhǔn)值下的諧波損耗折算值和量測(cè)值進(jìn)行比較，得到諧波治理為配電網(wǎng)節(jié)約的真實(shí)電量值，過程如下。

（1）選取配電網(wǎng)中某一負(fù)載率較高且所帶負(fù)荷主要是工業(yè)負(fù)荷等非線性負(fù)荷的配變，在該配變的高壓側(cè)裝設(shè)配變監(jiān)控終端（TTU），得到TTU在典型量測(cè)日內(nèi)的基波電能和總電能。由于總電能與基波電能之差即為該配變下配電網(wǎng)絡(luò)的諧波損耗值[7-8]，由此可量測(cè)得到的諧波治理前后電網(wǎng)諧波損耗值ΔAx，bef和ΔAx，aft。

（2）在諧波治理前后的損耗量測(cè)同時(shí)通過TTU得到治理諧波前后的各次（通常研究5、7、11、13、17次）[9-10]諧波電流含有率HRIn，bef和HRIn，aft。同時(shí)，根據(jù)表1中變壓器繞組附加損耗、變壓器鐵心的磁滯附加損耗、變壓器鐵心的渦流附加損耗和線路導(dǎo)體附加損耗的公式，得到諧波治理前后諧波損耗倍數(shù)。

（3）設(shè)諧波治理前后變壓器繞組基波損耗分別為ΔAr，bef和ΔAr，aft，諧波治理前后變壓器鐵心的磁滯基波損耗分別為ΔAc，bef和ΔAc，aft，諧波治理前后變壓器鐵心的渦流基波損耗分別為ΔAw，bef和ΔAw，aft，諧波治理前后配電線路的基波損耗分別為ΔAl，bef和ΔAl，aft，諧波治理前后電網(wǎng)基波總損耗為ΔA1，bef和ΔAl，aft。則有

（4）根據(jù)式（4）、式（5）可求取ΔA1，bef和ΔA1，aft。由于ΔA1，bef和ΔA1，aft不同，所以需統(tǒng)一實(shí)證基準(zhǔn)，將ΔA1，aft替換式（4）中的ΔA1，bef，計(jì)算得到電網(wǎng)諧波損耗折算值ΔAx，z。

（5）最后將同一基波損耗基準(zhǔn)值下的諧波損耗折算值ΔAx，z和諧波損耗量測(cè)值ΔAx，aft進(jìn)行比較，從而得到諧波治理所帶來的真實(shí)節(jié)能量。

3 算例分析

3.1 算例介紹

算例中，選取西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)中負(fù)載率大于75%同時(shí)所帶負(fù)荷主要是工業(yè)等非線性負(fù)荷的某個(gè)10 kV配變，在其高壓側(cè)裝設(shè)TTU；同時(shí)選取2012-11第1周的周一和第2周的周一作為諧波治理前后的典型量測(cè)日，并通過實(shí)際調(diào)研獲得以下數(shù)據(jù)：在諧波治理前的典型量測(cè)日，TTU量測(cè)得到的基波電量值為1 153.3 kW·h，總電量值為1 181.4 kW·h，計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)諧波損耗值ΔAx，bef為28.1 kW·h；同時(shí)通過TTU的記錄，得到5、7、11、13、17次諧波的諧波電流含有率分別為14.1%、 8.5%、4.0%、3.6%、3.4%。

在諧波治理后的典型量測(cè)日，針對(duì)已選取的配變下所帶的負(fù)荷區(qū)域，選取該區(qū)域中非線性負(fù)荷集中的公共節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)2臺(tái)SPA4-200 A/0.4系列的有源濾波器，量測(cè)得到的基波電量值為1 109.4 kW·h、總電量值為1 115.7 kW·h，得到網(wǎng)絡(luò)諧波損耗值ΔAx，aft為6.3 kW·h；同時(shí)通過TTU的記錄，得到5、7、11、13、17次諧波的諧波電流含有率分別為2.6%、2.8%、2.1%、1.8%、1.6%。

3.2 算例求解及結(jié)果

計(jì)算諧波治理前后主要電力設(shè)備諧波損耗倍數(shù)，如表2所示。

表2 諧波治理前后的電力設(shè)備諧波損耗倍數(shù)Tab.2 Harmonic losses multiples ofpower equipment before and after harmonic control

另外，根據(jù)西北該地區(qū)配電系統(tǒng)基波損耗歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析可得到：在該地區(qū)基波總損耗中，變壓器繞組損耗、變壓器鐵心磁滯損耗、變壓器鐵心渦流損耗、線路損耗大約占該地區(qū)基波總損耗的比值分別為18.3%、9.6%、30.0%、42.1%。因此，將式（4）、式（5）進(jìn)一步變形得

將量測(cè)得到的諧波治理前的諧波損耗值和表2中諧波治理前的諧波損耗倍數(shù)帶入式（6），得

同理，將諧波治理后量測(cè)得到的諧波損耗值和表2中諧波治理后的4種諧波損耗倍數(shù)帶入式（7）可得ΔA1，aft=71.8 kW·h。

以諧波治理后的網(wǎng)絡(luò)基波損耗值作為降損效果實(shí)證基準(zhǔn)值，將ΔA1，aft=71.8 kW·h代入式（6）中，并結(jié)合表2中諧波治理前的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到諧波損耗折算值ΔAx，z=36.9 kW·h。

最終在將負(fù)荷狀態(tài)統(tǒng)一至諧波治理后的水平后，可得到諧波治理后的真實(shí)節(jié)能電量為ΔAx，z-ΔAx，aft=30.6 kW·h。

綜上所述，諧波治理前后負(fù)荷狀態(tài)的統(tǒng)一是獲得諧波治理后真實(shí)節(jié)能電量的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文提出了配電網(wǎng)諧波治理降損效果實(shí)證的方法。該方法從諧波損耗模型出發(fā)，在前期獲得諧波治理前后網(wǎng)絡(luò)損耗值和各次諧波電流含有率的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)得到了諧波損耗折算值的求取方案，為量化諧波治理的節(jié)能效果并得到采用諧波治理后配電網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)節(jié)能量提供了理論依據(jù)。在對(duì)西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過算例驗(yàn)證了本降損效果實(shí)證方法的實(shí)用性和有效性。本方法將為國(guó)家節(jié)能減排工作提供技術(shù)支持，同時(shí)為國(guó)家電網(wǎng)公司節(jié)能服務(wù)體系建設(shè)提供有力支撐，預(yù)期將為國(guó)家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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EmpiricalM ethod of Harmonic Control Loss Reduction Effect in Distribution Network

GE Shaoyun1，DONG Jialin1，LIU Fuchao2，LIU Hong1
（1.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Electric Power Research Institute ofGansu Province，Lanzhou 730050，China）

Real energy-saving effect cannot be quantified because of the different load levels before and after the distribution network harmonic control.This paper aims atmaking the load state before and after the harmonic control to be on the same level，and raises empirical method of the loss reduction effectwhich is caused by distribution network harmonic control.Firstly，the principle ofmajor electricalequipmentharmonic losses multiples is analyzed.Then，the mathematical model of harmonic losses and the relationship between the harmonic loss and fundamental loss is obtained.Finally，the fundamental loss before and after harmonic control is made to the same load level，and the method of the discounted value of the harmonic losses is raised，and the realenergy savings after the harmonic control is obtained.The practicality and effectiveness of the empiricalmethod is verified by an example.

harmonic loss model；harmonic losses multiples；harmonic loss measure；quantization of loss effect；converted value

TM711

A

1003-8930（2015）03-0001-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.01

葛少云（1964—），男，博士，教授，研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃和配電系統(tǒng)自動(dòng)化。Email：syge@tju.edu.cn

2013-09-02；

2013-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51107085）；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（2012-103006）

董佳霖（1988—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)節(jié)能降損效果。Email：dongjialin2288@126.com

劉福潮（1960—），男，博士，高工，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)、電力節(jié)能、電網(wǎng)安全管理。Email：liufc8127@sina.com