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(xiàng)重要指標(biāo)，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(yùn)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(duì)這些設(shè)備發(fā)出的諧波進(jìn)行檢測(cè)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(yán)重的諧波污染，就有可能引起諧波故障，這時(shí)就必須確定諧波源的位置。下面介紹2個(gè)簡(jiǎn)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(shí)變曲線與用戶負(fù)荷的時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比。如果電壓畸變率發(fā)生變化的時(shí)間正好是交接班或者中午休息時(shí)間，那么諧波源很可能是工業(yè)用戶。利用一些時(shí)變特性，可以將諧波和某一類負(fù)載聯(lián)系起來(lái)。例如，諧波污染在用電負(fù)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(jī)、電弧爐、電焊機(jī)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(kāi)，監(jiān)測(cè)線路上諧波電流的流向。正常的諧波電流是從非線性負(fù)荷流向系統(tǒng)的。根據(jù)這種規(guī)律，可以從變電站開(kāi)始，逐個(gè)監(jiān)測(cè)諧波電流的流向，一直檢測(cè)到諧波源。因?yàn)殡娙萜鹘M會(huì)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(dāng)存在一個(gè)主要諧波源時(shí)，可以通過(guò)確定主導(dǎo)諧波分量的有功潮流方向來(lái)確定諧波源位置。通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）可得到各個(gè)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(guò)主導(dǎo)諧波分量的相角就可以確定諧波源的位置。

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

針對(duì)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(lái)判斷其是否為主要諧波污染源。一般來(lái)說(shuō)，這些用戶大多具有軋輥機(jī)、電弧爐、中頻爐等典型非線性負(fù)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(dāng)前諧波污染的重要組成部分。

對(duì)于線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)，用于查找諧波源。而對(duì)于較為復(fù)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(shí)接入的線路，由于諧波源眾多，而且產(chǎn)生諧波類型復(fù)雜，此時(shí)單獨(dú)研究諧波源的特性已經(jīng)沒(méi)有太大的實(shí)際意義。這時(shí)應(yīng)該考慮在配網(wǎng)系統(tǒng)中安裝諧波濾波裝置進(jìn)行治理。

2 非線性負(fù)荷接入公用電網(wǎng)時(shí)的諧波評(píng)估

2.1 評(píng)估原則

非線性負(fù)荷接入公用電網(wǎng)時(shí)的諧波評(píng)估，主要包括判斷諧波源產(chǎn)生諧波的類型、測(cè)試或者仿真該諧波源產(chǎn)生的諧波在當(dāng)前電網(wǎng)參數(shù)下是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求、必要時(shí)應(yīng)采取的治理措施。

非線性負(fù)荷接入公用電網(wǎng)時(shí)的諧波評(píng)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(jí)和公共連接點(diǎn)處的最小運(yùn)行方式下的短路容量等參數(shù)，計(jì)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(cè)試或者仿真計(jì)算出該用戶實(shí)際注入電網(wǎng)的諧波電流值，與允許值進(jìn)行比較。對(duì)于超標(biāo)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(jí)的單次電壓諧波分量限值和該系統(tǒng)的基準(zhǔn)短路容量Sk計(jì)算得到的，即

式中：Sk為公共連接點(diǎn)三相基準(zhǔn)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(biāo)稱電壓，kV。

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

在公共連接點(diǎn)同時(shí)接入多個(gè)用戶時(shí)，對(duì)于第i個(gè)用戶的第h次諧波電流注入允許值，可計(jì)算得到

式中：Si為第 i個(gè)用戶的用電協(xié)議容量，MV·A；ST為公共連接點(diǎn)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(píng)估程序

一般針對(duì)工業(yè)負(fù)荷用戶，諧波評(píng)估的程序如下：

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

（2）用戶用電設(shè)備的參數(shù)及接線方式；

（3）通過(guò)實(shí)際測(cè)量或者仿真計(jì)算的方式，確定用戶注入PCC點(diǎn)的總諧波電流值；

（4）根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)在最小運(yùn)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(jì)算該用戶在PCC點(diǎn)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(biāo)，則應(yīng)給出相應(yīng)的治理措施。

2.3 典型工業(yè)負(fù)荷的諧波評(píng)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(duì)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(diǎn)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(fù)載情況如表2所示。

表2 3條10kV出線所接主要負(fù)載情況

該用戶的中頻爐是通過(guò)12脈動(dòng)整流設(shè)備供電的，因此工作時(shí)主要產(chǎn)生11，13次諧波。中頻爐設(shè)備正常工作時(shí)的功率因數(shù)為0.96～0.97，因此10kV母線上的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備未投入運(yùn)行。對(duì)該用戶的PCC點(diǎn)的諧波水平進(jìn)行了連續(xù)24 h的測(cè)試，其數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 24h測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，取測(cè)量時(shí)間段內(nèi)各項(xiàng)實(shí)測(cè)量95%概率值中最大一相值，作為判斷諧波電流是否超過(guò)允許值的依據(jù)。允許值是根據(jù)式（1）計(jì)算得到基準(zhǔn)短路容量下的允許值后，再按照式（2）換算成實(shí)際最小短路容量下的諧波電流允許值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，該用戶11，13次諧波超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許值，應(yīng)進(jìn)行治理。考慮到該用戶諧波類型較為單一，可以采用無(wú)源濾波器進(jìn)行治理。在對(duì)11，13次諧波進(jìn)行濾波的同時(shí)，單調(diào)濾波器一般會(huì)對(duì)5，7次諧波產(chǎn)生放大作用，因此需要同時(shí)考慮加設(shè)5，7次諧波的濾波支路。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)升級(jí)勢(shì)在必行。今后越來(lái)越多的高新技術(shù)用戶將出現(xiàn)在公用電網(wǎng)中，對(duì)電能質(zhì)量的要求也會(huì)越來(lái)越高。這些企業(yè)在對(duì)電能質(zhì)量提出高要求的同時(shí)，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(yù)先對(duì)各類用戶的負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)估，在用戶接入電網(wǎng)時(shí)同步投入電能質(zhì)量治理裝置，才是對(duì)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(guó)電力出版社，2004.

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

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