電力電子設備諧波對主網(wǎng)的影響分析與對策探索

蘇寅生，周挺輝，趙利剛，甄鴻越，黃冠標

（1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510663；2. 直流輸電技術(shù)全國重點實驗室（南方電網(wǎng)科學研究院），廣州510663）

0 引言

電力系統(tǒng)諧波是電能質(zhì)量的重要參數(shù)之一，國標GB/T 14549—1993［1］就對公用電網(wǎng)的諧波允許值及其測試方法進行了限定。然而，該標準制定于將近30 年前的1993 年，只適用于110 kV 及以下的配電網(wǎng)，對于220 kV 電網(wǎng)僅提及了“參照110 kV 執(zhí)行”，對于更高電網(wǎng)等級的主網(wǎng)層未有任何限定。主網(wǎng)層的諧波限制在我國事實上沒有統(tǒng)一的規(guī)范標準。另一方面，近年來國內(nèi)電網(wǎng)對諧波進行了普查［2］，發(fā)現(xiàn)超過10%的500 kV變電站及干擾源客戶存在諧波超標情況，在諧波超標地區(qū)，主網(wǎng)層的部分設備如濾波器、換流變等存在超設計邊界運行的情況。2020 年3 月2 日，魯西換流站柔直單元5 次諧波電流高達43 A，導致柔性直流單元申請停運。隨著新型電力系統(tǒng)的建設，大規(guī)模的海上風電、陸上的光伏儲能等新能源將大規(guī)模并網(wǎng)，用于工業(yè)生產(chǎn)的整流型電力電子設備及鐵路系統(tǒng)牽引站大規(guī)模建設，預計將會產(chǎn)生更多的諧波。如何有效地對電力系統(tǒng)諧波進行治理已經(jīng)成為一項緊迫而重要的任務。

一直以來不少研究人員對諧波問題進行了分析研究，文獻［3-4］對工業(yè)電解鋁的諧波成因、治理方法進行了研究；文獻［5-7］對新能源中的諧波交互影響分析和抑制方法進行討論；文獻［8-9］研究了機車牽引站的諧波特性及其影響；主網(wǎng)中的常規(guī)直流［10］及柔性直流［11］本身也能夠產(chǎn)生諧波。上述的研究對各大諧波源產(chǎn)生的機理、影響及其治理方案進行了深入的分析，符合“誰污染、誰治理”的原則。然而近年來的運行經(jīng)驗出現(xiàn)了一些新的特征，不少的諧波源事實上存在超標運行的情況，且暫不具備治理條件。此外，即使所有的諧波污染源均達標的情況下，主網(wǎng)由于諧波的放大作用以及匯聚效應，也會出現(xiàn)諧波較高的現(xiàn)象。此前由于對主網(wǎng)的諧波問題認識不足，導致部分設備對諧波的承受能力不足、部分設備的設計裕度不足［12-13］，造成了主網(wǎng)層涉及諧波的事件偶發(fā)。

基于上述挑戰(zhàn)和機遇，本文分析了主網(wǎng)層的主要諧波來源，以及諧波傳遞的機理及放大效應，研究了在多諧波源情況下的諧波疊加效應，探索了多種諧波治理的方案，并提出了主網(wǎng)諧波的治理建議。

1 主網(wǎng)的諧波問題

1.1 主網(wǎng)諧波標準及現(xiàn)狀

為了控制諧波，改善電能質(zhì)量，國家出臺了相關(guān)的國標規(guī)范，以保證供電的電能質(zhì)量。其中，GB/T 14549—1993 對110 kV 及以下的母線電壓、公共連接點注入諧波電流進行了限定，部分數(shù)據(jù)如表1及表2所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（部分)Tab.1 Harmonic voltage limits of public power grid（portion)

表2 注入公共連接點的諧波電流允許值（部分)Tab.2 Allowable harmonic current injected into PCC（portion)

以前對主網(wǎng)的諧波關(guān)注度不高，甚至對主網(wǎng)沒有國家層面統(tǒng)一的設防標準?！禗L/T 5426—2009±800 kV 高壓直流輸電系統(tǒng)成套設計規(guī)程》［14］、《DL/T 5223—2005 高壓直流換流站設計技術(shù)規(guī)定》［15］和《IEEE Std. 519—1992》［16］等標準對低次諧波提出了1%—5%不等的電壓限制，但上述標準是對電網(wǎng)公共連接點（point of common couple，PCC）的電能質(zhì)量提出的要求，而非對設備要求的限值。

自從2017 年魯西高頻諧振事件、2020 年魯西主動停運事件、2021年新松濾波器跳閘事件后，由諧波引起的事件頻發(fā)，諧波在主網(wǎng)層的危害不容忽視。自2017 年后，諧波普查成為了電網(wǎng)的日常工作，對主網(wǎng)層的500 kV 及220 kV 變電站及換流站進行了監(jiān)測，以及對可能的諧波源用戶/新能源場站進行了排查。各年的排查結(jié)果略有不同。以2020年為例［2］，約有11%的變電站存在諧波電壓超標的情況，約有28%的納入排查范圍的用戶存在諧波電流超標的情況，約有20%的新能源廠站存在諧波電流超標的情況。排查結(jié)果表明當前電網(wǎng)中諧波超標情況較為普遍。從行業(yè)分類來看，電氣化鐵路及城市軌道交通、新能源廠站以及大型工業(yè)整流負荷為主要的諧波來源，如表3 所示。換言之，電力電子設備已經(jīng)成為了主要的諧波來源。

表3 按行業(yè)分類諧波普測結(jié)果Tab.3 Harmonic measurement results by industry classification

1.2 主網(wǎng)的諧波問題

以前對主網(wǎng)層的諧波關(guān)注度不高，有幾方面的因素，一是傳統(tǒng)的交流元器件如發(fā)電機、傳輸線及變壓器對諧波的耐受水平較高，即使出現(xiàn)較大的諧波，各種設備都能夠正常運行；二是傳統(tǒng)電網(wǎng)中的諧波源不多或是注入的諧波量不大，主網(wǎng)層的諧波含量比較低，未造成顯著的影響。然而隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，在可預見的未來，主要的諧波源（牽引站、新能源站、大型整流負荷）數(shù)量將顯著增加，未來主網(wǎng)層的諧波水平將進一步上升。另外，當前已發(fā)現(xiàn)部分主網(wǎng)設備的諧波耐受水平較低，已經(jīng)明顯受到諧波的影響，制約了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。例如，柔性直流換流站的換流變、常規(guī)直流換流站的濾波器等［17-18］在設計時以當時的諧波監(jiān)測水平作為邊界條件進行建設，過高的諧波電壓將導致設備的使用年限減少甚至設備損壞。

2 主網(wǎng)的諧波問題分析

電力電子產(chǎn)生諧波的相關(guān)機理可參考文獻［1-6］等，本文不再進行深入的分析。一般來說，大量分布式新能源廠站經(jīng)過變壓器后接入10 kV 或者35 kV 的地區(qū)電網(wǎng)后，諧波主要在本級電網(wǎng)進行傳播，部分中大型的廠站可能接入110 kV 或220 kV城市電網(wǎng)，少量大型的廠站如董菁、光照光伏站直接接入500 kV 網(wǎng)絡，其產(chǎn)生的諧波將直接注入主網(wǎng)。大型的牽引站、整流型工業(yè)負荷等很多采用110 kV 甚至220 kV 專變接入，甚至部分大型廠站如魏橋鋁廠等通過專線直接接入500 kV 變電站。在建設新型電力系統(tǒng)的背景下，電力電子設備與主網(wǎng)層的電力距離越來越近，主網(wǎng)上的諧波呈現(xiàn)出了以下特征。

2.1 海量的分布式諧波源接入

基頻的能量注入基本可以認為是人為控制、確定性的，然而諧波的來源非常廣泛，除了上文所述的集中式來源外，變壓器、電抗器等傳統(tǒng)的設備由于其非線性及飽和特性存在將基頻能量轉(zhuǎn)化為諧波能量的可能性，尤其是電壓偏高時，該現(xiàn)象將愈發(fā)嚴重。

眾多的分布式諧波注入源將導致在主網(wǎng)站點中產(chǎn)生諧波的疊加效應。如何進行疊加是業(yè)界的難題之一，主要的問題是諧波的相角具有一定的隨機性。影響因素包括以下幾個方面。

2.1.1 諧波源相角本身的隨機性

諧波源的相角與基波的相角并沒有絕對的相關(guān)關(guān)系。以工業(yè)電解鋁負荷為例，為減少低次諧波，一般采用多整流機組（4～6 組）并聯(lián)運行，由有載調(diào)壓交流變壓器提供交流輸入，單臺整流機組為12 或6 脈波，如圖1 所示，每組整流機移相6 o或7.5 o等。假設有N臺整流機組，正常工況下全部同時運行，利用變壓器移相技術(shù)使得等效脈波數(shù)為N×12 或N×6 脈波，送入供電母線特征諧波次數(shù)主要是P×N×12±1 次或P×N×6±1 次（P為正整數(shù)）。在檢修和出現(xiàn)故障時將減少一臺或兩臺機組，此時整流機組運行在不對稱狀況，供電母線上將出現(xiàn)較大幅值的P×12±1 或P×6±1 次數(shù)諧波電流。

圖1 多整流機并行的工業(yè)鋁廠Fig.1 Aluminum plant with multiple rectifiers in parallel

常規(guī)與非常規(guī)運行狀態(tài)下，其諧波具有明顯的差異［19］，如表4所示，某鋁廠完整運行為4整流機，單機6脈動合計24脈動［19］。

表4 某鋁廠完整與不完整運行時的諧波Tab.4 Harmonics in an aluminum plant during complete and incomplete operation

在不完整運行時（但仍屬于正常運行工況），會產(chǎn)生較大的低次諧波，諧波相角還具有一定的隨機性。以圖1 中的鋁廠為例，若停運的為不同的整流機中不同的單元（12 脈動整流機中包含2 個單元，一個是YY 接線，一個是YD 接線），其諧波電流相角幾乎可覆蓋360 o中的數(shù)值。如圖2所示，分別顯示了各個閥組單元停運時，5 次諧波呈現(xiàn)的相角。圖中，標注ab（a=1—4 為單元號，b=Y 或D 指星形或三角形接線方式）指單元a接線方式為b的閥組停運。

圖2 各個閥組停運時的諧波電流Fig.2 Harmonic currents during shutdown of each valve group

2.1.2 諧波源傳播后相位發(fā)生改變

諧波在經(jīng)過傳遞后，其相角相對于初始源發(fā)生了較大的變化。以董菁、光照光伏電站為例，容量分別為150 MW 及300 MV，這兩個大型的光伏電站直接接入500 kV 主網(wǎng)架。在電磁暫態(tài)仿真中，其產(chǎn)生的諧波主要為5次、7次諧波，其中5次諧波較為嚴重。利用南網(wǎng)科研院的電力系統(tǒng)計算分析軟件諧波計算模塊進行了分析，分別在董菁、光照廠注入了1 p.u. 和2 p.u. 的諧波電流，考慮不同的諧波注入相角，計算在近區(qū)站點所產(chǎn)生的諧波電壓，結(jié)果如表5所示。

表5 各站點的5次諧波電壓值Tab.5 5th harmonic voltage values of each station

當上述兩個諧波源初相角差約為90 °時，在八河變電站上呈現(xiàn)出最大的疊加效果；當約為135 °時，在金州變電站上呈現(xiàn)出最小的疊加效果（實際相互抵消）。換言之，在初相角差在90～135 °時，兩個諧波源在八河和金州變電站呈現(xiàn)出完全相反的效果，這是由于諧波在傳輸過程中，相位發(fā)生了明顯的變化。

按照GB/T 14549—1993，多個諧波源在已知相角差時，可按實際的相角進行矢量的疊加；在未知相角差時，按照“合理”的相角差進行疊加，如表6所示。對5 次諧波而言，即按照約50 °的相角差進行疊加。

表6 諧波相角未知時的疊加計算Tab. 6 Superposition calculation when harmonic angle is unknown

但根據(jù)上述的分析，該標準似乎已經(jīng)不再適用。當諧波源眾多時，該結(jié)果將普遍偏大，但又不能覆蓋最惡劣的工況，難以作為分析諧波問題的邊界條件。

2.2 線路對諧波的放大效應

主網(wǎng)中的諧波一方面來源于設備本身的非線性激發(fā)，另一方面還來源于傳輸線等設備的諧振補充。在城市電網(wǎng)及地區(qū)電網(wǎng)該現(xiàn)象還不明顯，但對于動輒幾十千米甚至上百千米的500 kV 傳輸線來說，該現(xiàn)象非常普遍，且在對當前電網(wǎng)造成主要危害的5、7 次諧波上表現(xiàn)明顯。其主要的原因是線路的充電電容效應在諧波上能夠顯著表達。3 條不同電壓等級的線路參數(shù)如表7所示。

表7 不同電壓等級的線路參數(shù)示例Tab.7 Example of line parameters for different voltage levels

在基頻時，輸電線路∏形模型的對地電容容抗值為線路電抗值的幾十倍到數(shù)百倍，因此一般可以忽略充電電容效應，線路首末端功率基本一致。但對于N次諧波，其線路容抗將減少至原來的1/N，線路電抗增大至原來的N倍，兩者比值將減少至原有的1/N2。以表7 的數(shù)據(jù)為例，110 kV 線路在30次，220 kV 線路在14 次，500 kV 線路在5 次諧波下，線路對地電容容抗值與線路電抗數(shù)值上處于同一數(shù)量級，具備發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振條件。

為敘述方便采用集中式∏形線路模型，如圖3所示，分布參數(shù)模型下具有類似的情況。當線路左側(cè)的系統(tǒng)阻抗較低同時右側(cè)具有諧波電流源時，線路左側(cè)電容被近乎短路，右側(cè)的電容與線路電抗發(fā)送并聯(lián)諧振，導致在線路及左側(cè)系統(tǒng)中均產(chǎn)生較大的諧波電流，最大為原始的諧波注入電流的數(shù)倍甚至十多倍。該諧波電流主要源于線路的諧振，為無功電流。

圖3 線路∏形模型諧振示例Fig.3 Example of line π model resonance

當前主網(wǎng)的諧波問題主要在5、7 次諧波，高次諧波水平暫不明顯。在110 kV 及以下的配電網(wǎng)中，由于線路較短、充電電容效應不明顯，符合諧振條件的諧波次數(shù)一般在20 次以上。但在220 kV及以上尤其是500 kV 的主網(wǎng)，5、7 次諧波可以使線路的電抗及容抗在同一尺度范圍內(nèi)具備發(fā)生諧振的條件。

2.3 諧波的遠距離傳播

2020 年3 月2 日，魯西換流站柔直單元5 次諧波電流過大，現(xiàn)場測量及事后重現(xiàn)分析表明近區(qū)交流電網(wǎng)5 次諧波源來源眾多，且呈分散分布的特征。其中含量較大的諧波源為“南寧→永安→百色→魯西”，傳輸路徑距離超過500 km。在該事件中，由于濾波器、柔直單元及近區(qū)線路在5 次諧波發(fā)生了諧振，導致魯西換流站近區(qū)成為了5 次諧波阻抗低點，全網(wǎng)5 次諧波在此匯聚，相比于低壓電網(wǎng)，匯聚效果更為明顯。原因包括以下兩個方面。

1）高壓傳輸線的阻抗較小，更利于諧波的傳遞。如表7 所示，同等距離下，500 kV 傳輸線阻抗僅為110 kV的1/29，為220 kV的1/6。

2）終端的入地諧波電流，絕大部分為傳輸過程中由于線路諧振所產(chǎn)生的“補充”諧波電流，而非原始的諧波注入源。即諧波在傳播過程中極端情況下存在不斷補充能量的現(xiàn)象。

綜合上述現(xiàn)象及機理分析，諧波在主網(wǎng)層中顯示出3 個顯著的特性：眾多分散的諧波在主網(wǎng)站點中匯聚、疊加，形成高于各個分散源的諧波電壓；500 kV 高壓線路的充電電容效應在5、7 次低次諧波上能夠明顯表達，由于線路充電電容對容性無功的補充，導致對諧波具有放大作用；由于高壓輸電網(wǎng)的阻抗較低，導致了諧波在輸電網(wǎng)中能夠遠距離地傳輸。上述現(xiàn)象與配電網(wǎng)諧波具有顯著差異。

3 主網(wǎng)的諧波治理

不少研究對諧波的治理提出了相關(guān)的方案，但主要集中于配電網(wǎng)層面［20-21］，對主網(wǎng)而言，諧波治理也有3 個途徑，從源頭、途徑以及末端進行綜合治理。

1）源頭治理，從諧波源本身出發(fā)，使諧波源減少產(chǎn)生諧波。采用電解鋁多整流機并聯(lián)、設備采用PWM 調(diào)制等措施均屬于該類，或通過控制減少諧波源［22-25］。

2）途徑處理，從諧波傳輸?shù)穆窂缴蠈ζ溥M行濾除和阻斷，使其無法進行遠距離、跨電壓等級傳播。

3）末端治理，提高受諧波影響的設備的耐受能力、抗干擾能力。對主網(wǎng)而言，即提升柔直換流閥、換流變、常直濾波器等主網(wǎng)設備對諧波的承受能力。

基于“誰污染、誰治理”的原則，從源頭進行治理是業(yè)界公認的基礎(chǔ)措施。加強源頭治理，排查非線性諧波污染用戶，在低電壓等級用戶側(cè)進行治理，避免諧波源傳遞到更高電壓等級電網(wǎng)的工作持續(xù)開展中。例如新建設的新能源場站、大型工業(yè)整流負荷在及升壓變、降壓變35 kV 側(cè)配備濾波器，以減少諧波注入為行之有效的方法之一。

諧波源頭治理是長久持續(xù)的工作，然而現(xiàn)狀是比例不少的主網(wǎng)變電站已經(jīng)存在事實上的諧波電壓偏高現(xiàn)象，并且存在分散源頭在變電站匯聚導致的超標現(xiàn)象。單單依靠源頭治理已經(jīng)無法保障主網(wǎng)層的安全可靠運行，多次的事故事件顯示主網(wǎng)層的諧波治理已經(jīng)迫在眉睫。

關(guān)于主網(wǎng)層的諧波治理，業(yè)界提出了多種不同的技術(shù)方案。包括：1）在變電站的35 kV 側(cè)加裝（改造）濾波器，以防止地區(qū)電網(wǎng)諧波電流上送至主網(wǎng)；2）在諧波源較大的變電站的500 kV 側(cè)加裝濾波器，以本地消納地區(qū)電網(wǎng)的諧波；3）利用STATCOM 的快速調(diào)節(jié)能力，將其改造成為低次諧波的有源濾波器；4）在諧波耐受水平較低的設備上，加裝濾波器以降低諧波電壓水平；5）破壞諧波在傳輸線上的諧波放大效應，通過改變?yōu)V波器的投切策略、改變線路的接線方法等改變系統(tǒng)的阻抗網(wǎng)絡。

其中方案5）一定程度上限制了系統(tǒng)的運行方式，只能作為臨時措施針對特定的案例特事特辦，本文不再詳細討論。其余方案共同點是在諧波傳輸?shù)穆窂酵ǖ郎咸峁Φ氐妥杩雇?，使其盡快入地，避免在主網(wǎng)層進行傳播。主要的設備為RLC串并聯(lián)產(chǎn)生的低次諧波無源濾波器，或是電力電子設備控制產(chǎn)生的有源濾波器。各方案不同之處在于其加裝在主網(wǎng)層的位置不同。

本文以魯西換流站云南側(cè)近區(qū)為例，對加裝不同位置的效果進行了分析。云南魯西近區(qū)存在大量的整流型工業(yè)負荷，諧波源較為集中。正常情況下諧波含量不大，但少量工況下整流機非完整運行時能夠產(chǎn)生一定的諧波。該片區(qū)地廣人稀，存在大量100 km以上的長距離輸電線，在低次諧波上存在較強的充電電容效應與諧振條件。魯西換流站的常直濾波器及柔直單元為主網(wǎng)層主要的諧波“受害者”，該片區(qū)為主網(wǎng)諧波問題的典型反映。魯西換流站有3個方向的入口，如圖4所示。

圖4 魯西近區(qū)接線示意圖Fig.4 Wiring diagram of Luxi near area

考慮在魯西換流站近區(qū)的樞紐站500 kV 側(cè)、工業(yè)負荷集中上送的天星站220 kV 側(cè)及35 kV 側(cè)加裝適當?shù)臑V波器。為使得濾波器能有較好的效果，濾波器在特定次諧波上的阻抗值應越小越好。但過小的阻抗將導致流經(jīng)濾波器的諧波電流過大。根據(jù)相關(guān)的設計條件，以下述定值進行分析：在滿足定值條件下濾波器在5 次諧波上的阻抗值為500 kV-150 Ω左右，220 kV-16 Ω左右，為避免在該次諧波上與系統(tǒng)發(fā)生諧振，角度按0 °控制。但由于制造工藝及誤差，上述數(shù)值可能有偏差，角度可能偏離0 °。本文著重研究5 次諧波，所設計的濾波器為5次諧波單調(diào)諧，容量參考天星站低容的配置60 Mvar，避免由于加裝濾波器導致無功嚴重不平衡，組數(shù)為1～2組。

考慮到該片區(qū)對諧波承受能力最弱為魯西換流站，計算分析了近區(qū)各站點上送5 次諧波時，在魯西換流站所產(chǎn)生的諧波電壓，如表8 所示。表中以現(xiàn)有當前狀態(tài)（無5 次濾波器時）進行了歸一化處理。此外，該數(shù)值為多種運行方式下的平均值。從表中可以看到，在“受害”站點附近加裝濾波器，只能一定程度攔截源自該方向的諧波，對其他方向的諧波作用不大。此外，部分工況下不但沒有抑制效果，反而造成“受害”站點承受更大的諧波。在本例中，分析了多種工況下起到反作用的比例及最不利的情況，如表9及表10所示。

表8 魯西近區(qū)加裝濾波器效果Tab.8 Effect of adding filter in Luxi near area

表9 不同位置濾波器不利結(jié)果統(tǒng)計（不利結(jié)果的比例)Tab.9 Statistics of adverse results of filters at different positions（proportion of adverse results)

表10 不同位置濾波器不利結(jié)果統(tǒng)計（最不利結(jié)果的倍數(shù))Tab.10 Statistics of adverse results of filters at different positions（mutiple of the most unfavorable result)

從機理上，該反作用的原因為圖3 在實際系統(tǒng)中的反映。天星站加裝濾波器后，相當于在天星站人為制造5 次諧波阻抗低點，即如圖3 所示的左側(cè)接地點。天星-魯西的線路長度134 km，5次諧波下充電電容效應相當明顯。源自圭山、曲靖方向的諧波相當于在圖3 右側(cè)注入諧波。在上述條件下，發(fā)生了一定程度的諧振，導致圖3 右側(cè)（即魯西站）諧波電壓抬升。但由于沒有達到完全諧振的條件，只呈現(xiàn)出30%～40%幅度的升高。因此在“受害”站點附近加裝濾波器，排除其他因素（如場地限制、改造投入、過渡階段的送電安排等），最適宜的位置應為“受害”站點本身。

若考慮在諧波源集中的地區(qū)電網(wǎng)上送主變的中低壓側(cè)進行濾波，以防止地區(qū)電網(wǎng)諧波上送，即相當于在圖5 中的B/C點加裝濾波器。圖中的參數(shù)為某750 MVA變壓器的實際星形接線參數(shù)。

圖5 主變5次諧波的阻抗示意圖Fig.5 Impedance diagram of 5th harmonic of transformer

考慮系統(tǒng)在不同條件下（不同負荷水平、濾波器投入等）的效果，如表11 所示，表中數(shù)值為在B點注入相同的諧波電流后，在A點測量的諧波電壓，并以無濾波器時的諧波電壓進行歸一化。

表11 主變高壓側(cè)與中壓側(cè)加裝濾波器對比Tab.11 Comparison of adding filter at HV side and MV side of transformers

在不同的系統(tǒng)條件下，220 kV側(cè)投入一組濾波器即能夠有效攔截本地的諧波上送至主網(wǎng)，效果堪比在500 kV 側(cè)加裝2 組濾波器。但綜合對比表8，該方案僅能對該地區(qū)的諧波進行濾除，對主網(wǎng)其他地區(qū)的諧波幾乎無效果。因此220 kV 方案僅適用于改善本地的諧波電壓。

若考慮在35 kV 側(cè)加裝（改造）以適應濾波條件，仍以圖5的參數(shù)為例。若要達到220 kV 側(cè)加裝濾波器的效果，由于B點C點間阻抗較小，可認為在C點的對地支路阻抗需與B點的基本一致。根據(jù)上文，220 kV 側(cè)單組濾波器阻值為16 Ω 左右（標幺值約0.03 p.u.），由于此處為大負荷點，4 臺主變均需投入1 組電容，則低壓支路5 次諧波阻抗需滿足：

式中：Ztran為變壓器低壓支路阻抗值；Zc為低容阻抗值。二者共同構(gòu)成低壓對地支路。式（1）要求單個低容的容抗為：Zc=-0.247 5 j，折算為串抗率約為1%。此時投入3 個低容時低壓支路阻抗較低，可以為5 次諧波提供濾波通路。但低容平常狀態(tài)下是作為調(diào)壓的手段，若投入1 組低容時，整個低壓支路呈現(xiàn)容性特性，且量級與系統(tǒng)側(cè)的阻抗基本一致，高壓支路（含系統(tǒng)）及低壓支路存在發(fā)生諧振的風險。因此，低容的串抗率最低不能少于2%。但在2%的串抗率下，僅投入1組時阻抗僅為0.035 8 j，若考慮站點500 kV 側(cè)5次諧波電壓畸變率達到目前測量較大值1.6%，不利工況簡化分析下（如圖5 左側(cè)輕載或斷開，諧波電流將大部分注入低壓支路）流入變壓器低壓支路的電流為：0.016/（0.072 5+0.035 8）=0.148 p. u.，換算為有名值為：0.148×1 650 A=244 A。低容上的5 次諧波電壓為0.024（2.4%），剛好達到國標的上限。疊加其他次數(shù)的諧波時，諧波電流將更大。按照GB 1094.1—2013［26］第4節(jié)4.2“正常使用條件中對電源電壓波形和負載電流諧波含量有如下規(guī)定：負載電流總諧波含量不超過額定電流的5%”的要求，對于天星站35 kV 側(cè)為（334/ 3 /35 × 0.05 = 0.275 kA），該方案基本已經(jīng)達到或者超過國標的上限。另外，諧波對變壓器自身會產(chǎn)生發(fā)熱溫升等負面影響，目前變壓器的廠內(nèi)試驗僅在50 Hz 下進行，未考慮長期諧波下的發(fā)熱、溫升對壽命的影響。變壓器是變電站內(nèi)關(guān)鍵設備，如果考慮在低壓側(cè)裝設濾波器，需要對變壓器進行特殊設計，同時需要對變壓器的諧波耐受能力進行試驗驗證。

此外，常規(guī)設計中采用部分5%和部分12%的串抗率的低容是依據(jù)：國標《GB 50227—2008 并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》［27］第5.5.2 條“為了抑制諧波放大，電抗率配置原則是：使電容器組接入處的綜合諧波阻抗呈感性。根據(jù)電網(wǎng)背景諧波，電抗率配置范圍如下：（2）當電網(wǎng)背景諧波為3 次及以上時，電抗率配置有兩種方案：全部電容器組的電抗率都按12.0%配置；或采用4.5%～5.0%與12.0%兩種電抗率進行組合?！?；中國工程建設標準化協(xié)會《并聯(lián)電容器用串聯(lián)電抗器設計選擇標準（CECS32∶91）》［28］第3.1.3 條“為抑制5 次及以上諧波電壓放大，宜選用電抗率為4.5%～6%的電抗器；抑制3次及以上諧波電壓放大，宜選用電抗率為12%～13%的電抗器。”之要求。若更改低容的串抗率，將使得低容喪失上述的能力，有可能導致35 kV 側(cè)的諧波電壓超國標要求。

綜合上述分析，在主網(wǎng)層加裝濾波器，以阻斷諧波在主網(wǎng)層的遠距離傳輸。在不考慮改造難度、造價條件、工期等其他外部因素的影響外，現(xiàn)階段應對當前困境最佳的方案為遵循“誰受害、誰治理”的原則，在受害站點直接加裝或改造濾波器。在附近站點的500 kV 側(cè)加裝濾波器，存在效果不佳甚至有反作用的風險；在諧波源集中注入的地區(qū)電網(wǎng)220 kV加裝，僅對該地區(qū)的諧波有濾除作用，對主網(wǎng)層的作用有限；在主變的35 kV 低壓側(cè)進行濾波，存在諧波電流過大、低壓側(cè)諧波電壓超標的風險。

然而上述的技術(shù)方案將導致?lián)Q流站成為該次諧波的低阻抗接地點，吸納近區(qū)的諧波流向并匯聚于換流站，存在一定的負面影響，包括：1）諧波的遠距離傳輸加大了沿途設備的損耗及風險；2）僅靠少量的濾波器來給整個片區(qū)治理諧波可靠性較差，一旦失效無后備手段；3）僅靠少量濾波器進行濾波對該濾波器的性能和定值要求較高，且效果可能不佳。

從長遠來看，可考慮多種措施并舉：1）持續(xù)推進諧波源頭的治理；2）地區(qū)諧波較大的區(qū)域在當?shù)刂髯兊?20 kV 側(cè)或者500 kV 側(cè)加裝濾波器（包括有源濾波器），就地濾除；3）未來的新建主網(wǎng)站點尤其是新能源和大型工業(yè)負荷接入主變考慮全面加裝5、7次濾波器，分層分區(qū)地進行諧波的治理。

4 結(jié)論

面對新型電力系統(tǒng)建設背景下大量新能源接入后的主網(wǎng)諧波問題，本文分析了主網(wǎng)層主要的諧波來源，辨識了導致主網(wǎng)諧波超標的關(guān)鍵因素，并對可能的對策進行了探索研究。主要的結(jié)論如下。

1）諧波在主網(wǎng)層中顯示出3 個顯著的特性：眾多分散的諧波在主網(wǎng)站點中匯聚、疊加，形成高于各個分散源的諧波電壓；高壓線路的充電電容效應在低次諧波上能夠明顯表達，導致對諧波具有放大作用；由于高壓輸電網(wǎng)的阻抗較低，導致了諧波在輸電網(wǎng)中能夠遠距離地傳輸。

2）諧波治理遵循“誰污染、誰治理”的原則進行源頭管控是基礎(chǔ)工作。但面對當前的實際形勢，應急的最佳治理措施為“誰受害、誰治理”的原則，在諧波耐受水平較低的站點加裝濾波器，以改善其諧波問題。在其余站點加裝濾波器存在治理效果單一、或者有反作用的風險。

3）從長遠來看，“誰受害、誰治理”的原則仍存在較大的缺陷，應考慮采取綜合的措施，從源頭、地區(qū)電網(wǎng)、新建主網(wǎng)站點進行諧波的治理。