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    超高次諧波對(duì)配用電系統(tǒng)的影響

    2022-03-03 10:56:59袁紅斌國(guó)網(wǎng)白城供電公司
    節(jié)能與環(huán)保 2022年10期
    關(guān)鍵詞:電能表載波諧波

    文_袁紅斌 國(guó)網(wǎng)白城供電公司

    隨著大量分布式能源的高密度接入以及柔性輸電技術(shù)的運(yùn)用,配電網(wǎng)呈現(xiàn)出“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”緊密耦合特性;同時(shí),高度電力電子化與強(qiáng)非線性特性使電網(wǎng)中的電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象與交互影響機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜,配電網(wǎng)側(cè)2~150kHz的超高次諧波含量不斷增加。而在配電網(wǎng)中,超高次諧波的存在會(huì)造成電能表錯(cuò)誤,保護(hù)裝置誤動(dòng)作,電力線載波通信不能正常工作以及日光燈發(fā)生閃爍,因此很有必要研究超高次諧波對(duì)其他設(shè)備造成影響的原因。本文開(kāi)展超高次諧波對(duì)不同類型設(shè)備及配電網(wǎng)運(yùn)行影響機(jī)理研究,通過(guò)不同設(shè)備的影響機(jī)理,分析超高次諧波造成設(shè)備故障等問(wèn)題的原因,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

    1 超高次諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響

    頻率特性曲線能夠表征超高次諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響情況,由于曲線較為平坦,可近似認(rèn)為未發(fā)生衰減,這也表明電能表具有較寬的頻率響應(yīng)范圍,因此在理想情況下,電能表基本上能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)量諧波功率,同時(shí)受頻率增高的影響較小。由于電能表能夠準(zhǔn)確計(jì)量負(fù)載發(fā)出和消耗的諧波功率,而諧波功率的正負(fù)對(duì)于線性用戶和非線性用戶不同,因此當(dāng)用其計(jì)量電能時(shí),線性用戶會(huì)被多計(jì)量電能,而非線性用戶不但污染了電網(wǎng)而且還被少計(jì)量了電能,顯然存在不合理性。但由于電能表對(duì)諧波的準(zhǔn)確計(jì)量,則在相同條件下,電能表能夠計(jì)量更多的諧波功率。

    2 超高次諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響

    目前超高次諧波問(wèn)題有干擾保護(hù)動(dòng)作的問(wèn)題,其中在縱連保護(hù)中,應(yīng)用了高頻載波信號(hào),此種頻率的載波與超高次諧波的頻率較為接近,容易對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾。

    2.1 載波保護(hù)(高頻保護(hù))

    由于輸電線載波通道是直接通過(guò)高壓輸電線路傳送高頻載波電流的,因此高壓輸電線路上的干擾直接進(jìn)人載波通道,高壓輸電線路的電暈、短路、開(kāi)關(guān)操作、超高頻諧波等都會(huì)在不同程度上對(duì)載波通信造成干擾。另外,由于高頻載波的通信速率低,難于滿足縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)時(shí)性的要求,一般用來(lái)傳遞狀態(tài)信號(hào),用于構(gòu)成方向比較式縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)電流相位差動(dòng)保護(hù)。通道傳輸?shù)男盘?hào)頻率范圍一般為50~400kHz,超高次諧波頻率范圍為2~150kHz,兩者存在重疊頻段,因此考慮超高次諧波會(huì)對(duì)高頻保護(hù)產(chǎn)生干擾,造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

    2.2 方向比較式縱聯(lián)保護(hù)

    利用非故障線路一端的閉鎖信號(hào),閉鎖非故障線路不跳閘,而對(duì)于故障線路跳閘,則不需要閉鎖信號(hào),因此在區(qū)內(nèi)故障伴隨有通道破壞(例如通道相接地或斷線)時(shí),兩端保護(hù)仍能可靠跳閘,整定時(shí)間一般為4~16ms。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響:區(qū)外故障時(shí),因抵消高頻信號(hào)造成誤動(dòng);區(qū)內(nèi)故障時(shí),因存在諧波造成拒動(dòng)。

    2.3 縱聯(lián)電流相位差動(dòng)保護(hù)

    僅利用輸電線路兩端電流相位在區(qū)外短路時(shí)相差180°、區(qū)內(nèi)短路時(shí)相差為0°,也可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外短路,高頻信號(hào)的連續(xù)和間斷反應(yīng)了兩端電流的相位比較結(jié)果。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響:區(qū)外故障時(shí)因抵消高頻信號(hào)造成誤動(dòng);區(qū)內(nèi)故障時(shí)因存在諧波造成拒動(dòng)。

    3 超高次諧波對(duì)電力線載波通信的影響

    超高次諧波對(duì)通信系統(tǒng)有很大的影響,然而徐文遠(yuǎn)教授指出,超高次諧波從發(fā)射源位置行進(jìn)到主要配電網(wǎng)時(shí),幅值會(huì)明顯衰減,并且家用電器或其他低壓設(shè)備的前端濾波器可以通過(guò)分流濾波進(jìn)一步減少高頻諧波,由于這兩個(gè)因素,這些失真不太可能降低電力線通信的可靠性。同樣,對(duì)于巴西太陽(yáng)能發(fā)電廠光伏逆變器產(chǎn)生的高頻諧波失真,其高頻諧波電流畸變可能達(dá)到基頻電流的2%,而高頻諧波電壓仍然低于基頻電壓的0.2%,該結(jié)果表明特定光伏逆變器發(fā)出的高頻諧波失真不太可能對(duì)公用事業(yè)造成重大影響。

    由于電網(wǎng)中電力電子化電氣設(shè)備的不斷增多,產(chǎn)生了越來(lái)越多的超高次諧波發(fā)射,超高次諧波在傳播過(guò)程中是否被有效濾除,是電力載波通信能否正常傳輸信息的關(guān)鍵。

    4 超高次諧波對(duì)其他設(shè)備的影響

    4.1 超高次諧波對(duì)永磁電機(jī)的影響

    由變流器輸出超高次諧波會(huì)引起永磁電機(jī)的附加損耗,該損耗情況主要受制于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、變流器載波頻率、變流器調(diào)制比等因素影響。相關(guān)研究結(jié)論普遍表明:采用較高頻率的載波以及較大的調(diào)制比可以有效減小發(fā)電機(jī)損耗。進(jìn)一步整理分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)載波頻率或調(diào)制比低于某一值時(shí),增大載波頻率或調(diào)制比能有效減小發(fā)電機(jī)損耗;高于該值繼續(xù)增大參數(shù),損耗的下降較為平緩,減弱效果不明顯。因此,可依據(jù)損耗平緩變化段進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、超高次諧波影響的量化評(píng)估、抑制策略的制定等工作,就文獻(xiàn)中永磁發(fā)電機(jī)而言,可以以3kHz載波,0.7調(diào)制比情況下的發(fā)電機(jī)損耗(約為額定功率3%)為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)超高次諧波影響進(jìn)行評(píng)估。

    4.2 超高次諧波在牽引機(jī)車系統(tǒng)中的影響

    高速鐵路牽引機(jī)車上普遍采用交-直-交變頻方式,由于其中電力電子器件和高次脈沖整流方式的廣泛使用,諧波中的高頻成分問(wèn)題變得更加突出,該高頻諧波成分可能引起電纜終端局部發(fā)熱比較嚴(yán)重,從而導(dǎo)致電纜終端絕緣受到破壞,并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng),牽引機(jī)車電纜終端老化程度將會(huì)進(jìn)一步加重,有可能導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備絕緣損壞,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。某牽引機(jī)車過(guò)分相運(yùn)行一段時(shí)間后,電纜終端應(yīng)力控制管處發(fā)生爆炸,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析,該現(xiàn)象可能是由于牽引機(jī)車過(guò)分相后產(chǎn)生的高頻諧波引起電纜終端發(fā)熱,從而導(dǎo)致絕緣擊穿。相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)這一現(xiàn)象,對(duì)3kHz、5kHz、7kHz等頻率的超高次諧波引起的電纜終端溫度及阻性發(fā)熱功率密度進(jìn)行分析,表明超高次諧波頻率的增加會(huì)導(dǎo)致材介電性能的降低,引起終端電場(chǎng)強(qiáng)度的增加,同時(shí)引起系統(tǒng)表面溫度升高,并出現(xiàn)明顯熱點(diǎn),應(yīng)適當(dāng)加裝高頻濾波裝置以延長(zhǎng)其電氣設(shè)備的使用壽命。

    5 超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)

    超高次諧波對(duì)于配電網(wǎng)的影響應(yīng)引起足夠重視,有必要預(yù)測(cè)超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)的影響趨勢(shì),以提出應(yīng)對(duì)之策。對(duì)超高次諧波的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè),應(yīng)從源頭開(kāi)始,并對(duì)超高次諧波源的未來(lái)市場(chǎng)及應(yīng)用進(jìn)行分析,從而得到超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

    伴隨電力電子技術(shù)的發(fā)展、半導(dǎo)體器件的革新以及人類可持續(xù)發(fā)展的需要,光伏發(fā)電、風(fēng)電正快速走向大規(guī)模普及,未來(lái)是清潔能源的時(shí)代。大量光伏逆變器的投入以及各種開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用,使電網(wǎng)中混雜的超高次諧波迅速增加。同時(shí),作為“新基建”的重要內(nèi)容,充換電行業(yè)亦掀起新的熱潮,該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從根本上取決于電動(dòng)汽車的規(guī)模化發(fā)展,但距離車樁比1:1還有較大差距,充電樁仍存在缺口,充電設(shè)備單元等大型設(shè)備的制造商往往使用有源功率因數(shù)校正器或者PWM整流器等開(kāi)關(guān)型電力電子設(shè)備,來(lái)滿足限值要求和提高設(shè)備的效率,這些技術(shù)會(huì)導(dǎo)致2~150kHz頻率范圍內(nèi)的諧波發(fā)射??梢?jiàn)隨著接入電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車充電樁數(shù)量的增加,若無(wú)相關(guān)諧波抑制措施,電網(wǎng)中的超高次諧波含量越來(lái)越大。此外,隨著技術(shù)的進(jìn)步,功率變換器朝著高頻化的方向發(fā)展,輸出諧波頻次越來(lái)越高,諧波污染情況不可忽視。

    未來(lái)分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等廣泛布置在配電網(wǎng)中,這些設(shè)備均采用電力電子變換器與電網(wǎng)連接,以及變頻器、低壓FACTS等具有諧波源特征裝置的廣泛應(yīng)用,使得電網(wǎng)未來(lái)必然增加更多的超高次諧波,若不加以抑制,采取一定緩解措施,電網(wǎng)中的超高次諧波水平將隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而持續(xù)走高,對(duì)配電網(wǎng)的影響會(huì)愈加嚴(yán)重。

    6 結(jié)語(yǔ)

    隨著光伏逆變器、電動(dòng)汽車等超高頻次諧波源越來(lái)越多接入電力系統(tǒng),電網(wǎng)中超高次諧波問(wèn)題越來(lái)越突出,主要體現(xiàn)在電力載波通信故障方面,為此本文通過(guò)超高次諧波對(duì)典型設(shè)備的影響研究,量化了超高次諧波對(duì)電力線載波通信以及計(jì)量裝置的影響,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè),能夠?yàn)槌叽沃C波的限值設(shè)定與防治技術(shù)提供參考。

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