諧波網(wǎng)損

需求側(cè)管理(CDSM)是節(jié)能減排、改善環(huán)境、應(yīng)對(duì)全球變暖行之有效的手段，也是國家可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇。35 kV以下配電網(wǎng)總諧波畸變率CTHD)不超過4%，各次諧波含量不超過3.2%。但是從20個(gè)諧波測量點(diǎn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果來看，低壓配電網(wǎng)的諧波污染非常嚴(yán)重，諧波網(wǎng)損占總網(wǎng)損的3.6%左右，個(gè)別點(diǎn)高達(dá)8.0%，其中以3,5,7次諧波最為嚴(yán)重，這三種諧波功率之和達(dá)到諧波總功率的73.8%~%.3 %，同時(shí)在三相四線制的配電網(wǎng)中中性線線損占總網(wǎng)損的比例也較大。如此高的諧波網(wǎng)損對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行、節(jié)能減排、各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及工作人員的人身安全等都構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，同時(shí)按照我國現(xiàn)有的電費(fèi)管理政策，這部分損耗由供電公司白己承擔(dān)，這也是很不公平，因此必須采取必要措施對(duì)配電網(wǎng)的諧波網(wǎng)損加以控制和有效管理 。

1)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范的宣傳貫徹。加強(qiáng)對(duì)諧波定義、測量及諧波危害宣傳，讓廣大電力客戶明確諧波治理不只是供電部門的責(zé)任，白己也應(yīng)承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任，實(shí)現(xiàn)互惠互利、節(jié)能增效、保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要目的。

2)加強(qiáng)巡視和監(jiān)督。電力部門對(duì)所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備詳實(shí)的原始，做到有的放矢。對(duì)電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求;對(duì)于供電部門而言，可以評(píng)估電力用戶的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。

3)嚴(yán)格大用戶諧波管理。過去供電部門對(duì)于大用戶的用電管理側(cè)重于功率因數(shù)，對(duì)諧波基本上沒有采取任何管理措施。隨著接入系統(tǒng)的非線性時(shí)變負(fù)荷數(shù)量的不斷加大，對(duì)于大用戶的諧波管理必須納入供電部門的正常工作中，做好大用戶非線性時(shí)變負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)和備案，對(duì)其電能質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估結(jié)果計(jì)算分配諧波控制指標(biāo)，明確供用電雙方的義務(wù)。

諧波網(wǎng)損管理的技術(shù)措施包括電網(wǎng)側(cè)管理和用戶側(cè)管理兩個(gè)方面 。

諧波網(wǎng)損電網(wǎng)側(cè)管理措施

電網(wǎng)側(cè)諧波網(wǎng)損管理的措施包括:

1)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，提高供電母線的短路容量.

2)合理配置補(bǔ)償電容器，優(yōu)化運(yùn)行方式，消除因并聯(lián)電容器組的投入而引起某次諧波的放大。

3)選擇具有吸收一定諧波分量的裝置，如美國的EP-2000、上海追日的ZRAF系列、蘇州和順的APF系列和西安賽博的SPA3系列等有源濾波裝置。

諧波網(wǎng)損用戶側(cè)管理措施

用戶側(cè)諧波網(wǎng)損管理的措施包括 :

1)在每組電容器上串聯(lián)電抗器，構(gòu)成無源電力濾波器，選擇L和C參數(shù)時(shí)主要兼顧3次和5次諧波的抑制問題。

2)增加變換裝置脈沖數(shù)(相數(shù)倍增法)來減少整流、換流設(shè)備諧波源的含量。

3)諧波源處就近安裝濾波裝置，濾除諧波分量。

4)使用變頻器等產(chǎn)品時(shí)，必須選用諧波在國家規(guī)定范圍內(nèi)的合格產(chǎn)品。

大量非線性時(shí)變負(fù)荷的增加，使注入電網(wǎng)的諧波分量增多，致使系統(tǒng)中電壓、電流波形發(fā)生畸變，造成電力系統(tǒng)諧波污染 。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，這種非線性時(shí)變負(fù)荷增長的速度越來越明顯，如現(xiàn)代辦公樓、商場及家庭中的變頻空調(diào)開關(guān)式電源、計(jì)算機(jī)、電了照明器具和整流器等都具有非線性特性，產(chǎn)生很大的諧波網(wǎng)損，對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。2007年我們對(duì)河北省滄州地區(qū)的部分商場、賓館、辦公樓、居民小區(qū)和工業(yè)企業(yè)等20個(gè)諧波測量點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)時(shí)測量，測量點(diǎn)位置均選在配電變壓器低壓側(cè)的出線上，結(jié)果表明0.4 kV側(cè)的相電流諧波含有量基本都在5.5%~25%，個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到50%中性線中的諧波含量均在85%以上，個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)高達(dá)220%。

制定相關(guān)的經(jīng)濟(jì)措施，利用經(jīng)濟(jì)杠桿，達(dá)到節(jié)能增效的目的。像采取多種電價(jià)政策鼓勵(lì)企業(yè)為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷的目的一樣，對(duì)于達(dá)到規(guī)定的諧波標(biāo)準(zhǔn)的用戶，給予一定的優(yōu)惠措施，反之則給予一定的經(jīng)濟(jì)處罰 。

對(duì)于居民用電時(shí)間比較集中、季節(jié)性強(qiáng)、且諧波中含有大量零序分量的特點(diǎn)[6]，居民用電所產(chǎn)生的諧波治理可以從以下三個(gè)方面入手:設(shè)計(jì)方面;管理方面;技術(shù)方面 。

1)設(shè)計(jì)方面。首先要合理規(guī)劃供電結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行配網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量詳細(xì)的掌握配網(wǎng)的負(fù)載情況及諧波源。在低壓配網(wǎng)系統(tǒng)中，將產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備接在同一母線上，可以利用諧波的互補(bǔ)作用降低配網(wǎng)中的諧波含量;將不產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備接在同一母線，盡量減少諧波對(duì)其影響。關(guān)于變壓器，為了防止諧波電流引起的過熱，可以使用因數(shù)變壓器，該變壓

器的設(shè)計(jì)基本上是通過改善繞組和降低鐵芯損耗來減少由諧波電流所引起的附加損耗。配網(wǎng)中若有三相整流變壓器，應(yīng)采用D, ynll接線方式，以最大限度的抑制諧波。另外，在三相系統(tǒng)中，三相負(fù)荷功率相等不代表三相平衡，因?yàn)樨?fù)荷的自身特性可能導(dǎo)致三相不平衡和非線性。所以在進(jìn)行配電設(shè)計(jì)時(shí)，除了使三相負(fù)荷功率平衡外，還應(yīng)考慮各相所帶的負(fù)荷性質(zhì)。

2)管理方面。諧波的治理，需要大量的投資，走共同治理之路。在分清諧波來源基礎(chǔ)上，除了依靠供電部門，還要調(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面。諧波治理是綜合治理的過程，有明確的規(guī)定和要求，是改善供電品質(zhì)的重要方面。然而許多電力用戶，對(duì)諧波的危害沒有足夠的認(rèn)識(shí)，往往認(rèn)為諧波治理僅僅是電力部門的事情。就此而言，電力管理部門有必要加強(qiáng)

諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波帶來的危害和諧波治理的重性及投資回報(bào)。在對(duì)諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，提出適合于用戶的治理方案。

3)技術(shù)方面。電力系統(tǒng)諧波的抑制方法可分為預(yù)防性和補(bǔ)救性兩大類，而針對(duì)居民用戶的特點(diǎn)預(yù)防方法效果不大，所以通常使用補(bǔ)救性方法，補(bǔ)救性方法主要是使用濾波器進(jìn)行濾波。

濾波器分為無源濾波器和有源濾波器。二者之間的本質(zhì)區(qū)別在于:無源濾波器只能濾除特定階次的諧波電流，而有源濾波器是對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時(shí)向系統(tǒng)注入一組與之相位相反的電流來抵消諧波電流，同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基波無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)處理多階次諧波，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。由于居民用電對(duì)電能質(zhì)量要求相對(duì)較低，應(yīng)盡量避免增設(shè)造價(jià)過的高設(shè)備，以防止對(duì)居民產(chǎn)生過高的資金分?jǐn)倝毫Γ什捎脝握{(diào)諧濾波器與高通濾器相結(jié)合的混合無源濾波方式進(jìn)行諧波治理。另外還可以通過改變電容器組的安裝位置或調(diào)整電容器組的無功出力來治理。在調(diào)諧的諧波次數(shù)下，電容器和電抗器具有相同的電抗，但是需要特別注意的是電容器應(yīng)能承受施加在其上的總電壓。然而，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，未來濾波的趨勢是采用有源濾波器。有源濾波器可以對(duì)頻率與幅度發(fā)生變化的諧波進(jìn)行跟蹤，具有不受阻抗影響的特點(diǎn)，并且避免了出現(xiàn)諧振的危險(xiǎn)。目前，以下3個(gè)原因限制了其在我國的應(yīng)用:1)國外同類裝置價(jià)格太高;2)人們對(duì)諧波危害還沒有足夠的認(rèn)識(shí);3)國內(nèi)諧波問題的污染程度還不是特別嚴(yán)重。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展有源濾波器的價(jià)格會(huì)進(jìn)一步下降，并且未來諧波源將越來越多也越來越多樣化，諧波問題會(huì)變得越來越復(fù)雜，因此人們對(duì)諧波認(rèn)識(shí)也會(huì)逐漸加深，所以綜合來看，未來濾波的發(fā)展趨勢是有源濾波。

針對(duì)絕大多數(shù)居民用戶采用的TN-S或TN-C-S的配電方式，由于其存在中性線，零序諧波電流，特別是3次諧波電流在中線上會(huì)相互疊加，使得中線電流中的諧波狀況異常嚴(yán)重。面對(duì)這種狀況，除了適當(dāng)增加中性線的截面積，降低其帶來的不利影響外，可以在中性線上加裝零序?yàn)V波電抗器。該電抗器使用的是LC調(diào)諧濾波器的原理，但是無電容拓?fù)?，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠，不存在諧波放大和失諧等優(yōu)點(diǎn)。零序?yàn)V波裝置在三相四線制城市配電網(wǎng)濾波工程中具有較好的應(yīng)用價(jià)值，可以有效的降低諧波對(duì)配電網(wǎng)的危害。

諧波電流在電網(wǎng)中流過時(shí)，與同頻諧波電壓產(chǎn)生諧波功率，而諧波功率的產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。諧波功率除了供熱用的電熱外，無任何效益，只是以發(fā)熱的形式在傳輸過程各環(huán)節(jié)及用電設(shè)備中消耗掉。所以諧波功率實(shí)質(zhì)上就是因諧波而產(chǎn)生的網(wǎng)損—諧波網(wǎng)損。因此正向諧波功率增大了電力系統(tǒng)的網(wǎng)損。諧波除了直接引起網(wǎng)損的增加，還將引起功率因數(shù)的降低，從而間接地引起電網(wǎng)損耗的增加 。

利用網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)的大量監(jiān)測終端所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行配電網(wǎng)理論網(wǎng)損的計(jì)算。提出了2種計(jì)算配電網(wǎng)理論網(wǎng)損的方法，即回路電流法和電流電壓法。這2種方法不依賴以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治龊驮O(shè)備參數(shù)，充分利用監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，以區(qū)段為單位進(jìn)行理網(wǎng)損的計(jì)算?；芈冯娏鞣ㄐ枰猅TU的實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算精確;而電流電壓法僅需要區(qū)段首端FTU的實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算較粗糙。但沒有區(qū)分基波網(wǎng)損和諧波網(wǎng)損，并且其計(jì)算精度取決于監(jiān)測終端的數(shù)量，如果現(xiàn)場的監(jiān)測終端安裝數(shù)量較少，則應(yīng)用此方法計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差較大。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況以及配電網(wǎng)的一些自有特點(diǎn)，利用現(xiàn)場監(jiān)控單元上傳的三相實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提出一種以饋線段而不是整條饋線為基本計(jì)算單元的三相劃分為饋線段，并基于饋線段對(duì)段內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在結(jié)合系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，不僅可以獲得比舊有方法精確許多的線損計(jì)算結(jié)果，而且能計(jì)算出所有饋線段內(nèi)各個(gè)設(shè)備的詳細(xì)線損情況，使系統(tǒng)內(nèi)的線損分布一目了然，有利于運(yùn)行人員輕松方便地進(jìn)行配電線損分析與計(jì)算，為進(jìn)一步優(yōu)化配網(wǎng)系統(tǒng)提供了有力依據(jù)。但同樣沒有區(qū)分基波網(wǎng)損和諧波網(wǎng)損，只是籠統(tǒng)的計(jì)算了配網(wǎng)的線損，不能夠顯示出諧波對(duì)配網(wǎng)線損的影響。而且該方法的應(yīng)用具有一定的條件限制。

對(duì)等值電阻法進(jìn)行了理論推導(dǎo)，它把配電網(wǎng)絡(luò)通過元件的有功損耗為通過配電網(wǎng)線路等值電阻和配電變壓器等值電阻所產(chǎn)生的有功損耗，在配電網(wǎng)線路等值電阻和配電變壓器的等值電阻計(jì)算出來之后，便可求得在某時(shí)段內(nèi)配電網(wǎng)的電能損耗。等值電阻法是一種成熟的網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)算方法。理論推導(dǎo)及其論述為本課題諧波網(wǎng)損的計(jì)算分析提供了很好的借鑒。

配電網(wǎng)損耗理論計(jì)算一般采用潮流計(jì)算法或等值電阻法進(jìn)行。前者可以同時(shí)得到網(wǎng)內(nèi)各點(diǎn)的電壓水平，動(dòng)態(tài)地考慮無功投切對(duì)損耗的影響，通常用于對(duì)規(guī)劃中的電網(wǎng)損耗和運(yùn)行電壓的預(yù)測。由于配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)不能被完全采集，故潮流計(jì)算法不適用于運(yùn)行中配電網(wǎng)節(jié)能管理的計(jì)算。而等值電阻法則完全可以對(duì)全網(wǎng)或配網(wǎng)的諧波網(wǎng)損進(jìn)行估計(jì)計(jì)算，諧波總畸變率計(jì)算諧波網(wǎng)損的方法簡單，以及由于考慮的諧波次數(shù)有限可能有些誤差，但是隨著諧波次數(shù)的增加，諧波電流甚至遞減到可以忽略不計(jì)，由此形成的誤差在允許范圍內(nèi)。

隨著居民生活水平的提高和電力電子技術(shù)的發(fā)展，居民和商業(yè)用電所產(chǎn)生的諧波幾乎成為低壓配電網(wǎng)中主要的諧波增長源。文章通過測量并分析了居民用電中的諧波對(duì)于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)線損和其它惡劣影響，并在最后給出了治理建議，這對(duì)于電力系統(tǒng)降損方案的制定有很好的參考價(jià)值 。2100433B

諧波功率除了對(duì)供熱用的電熱外，無任何效益，只是以發(fā)熱的形式在傳輸過程中各環(huán)節(jié)及用電設(shè)備中消耗掉。所以諧波功率實(shí)質(zhì)上就是因諧波而產(chǎn)生的線損一諧波網(wǎng)損。為了對(duì)電網(wǎng)的諧波網(wǎng)損進(jìn)行估計(jì)，設(shè)電流諧波總畸變率強(qiáng)，

在不考慮集膚效應(yīng)的情況下，線路電阻為定值

所以線損增加率為：

因此，如果總諧波含有率為30%，那么線損就會(huì)增加9%。這是在不考慮高次諧波集膚效應(yīng)引起電阻增加情況下的諧波線損估計(jì)。

而上述方法不能夠全面準(zhǔn)確地計(jì)算中性線的線損，進(jìn)一步表明了利用電流畸變率在估計(jì)全網(wǎng)諧波網(wǎng)損方面的不足。而等值電阻法則完全可以對(duì)全網(wǎng)或配網(wǎng)的諧波網(wǎng)損進(jìn)行估計(jì)計(jì)算，雖然計(jì)算上不如上述方法簡單以及由于考慮的諧波次數(shù)有限可能有些誤差，但是隨著諧波次數(shù)的增加，諧波電流甚至遞減到可以忽略不計(jì)，由此形成的誤差在允許范圍內(nèi)。

實(shí)際配電網(wǎng)的諧波網(wǎng)損得到以下結(jié)論：

(1)電網(wǎng)中各次諧波功率均為正值，說明整體上電網(wǎng)是吸收諧波功率的。且電網(wǎng)中各次諧波功率隨著諧波次數(shù)的增加呈現(xiàn)遞減趨勢。

(2)配電網(wǎng)諧波網(wǎng)損占總網(wǎng)損的3.5%左右，個(gè)別高達(dá)7.8%。這部分損耗往往由電力公司來承擔(dān)，這是不合理也是不公平的，所以應(yīng)對(duì)這部分損耗采取有效的計(jì)量和計(jì)費(fèi)方式。

(3)配電網(wǎng)中三次諧波功率占到諧波功率的70%～96%，所以消除三次諧波對(duì)于降低諧波網(wǎng)損來講是至關(guān)重要的。

(4)通過上面的分析計(jì)算可知，在三相四線制配電網(wǎng)中，中性線線損占總網(wǎng)損的很大比例。這雖然主要是由諧波引起的，但還是應(yīng)該在治理諧波的基礎(chǔ)上合理地選擇中性線，盡可能地減少中性線線損，這對(duì)于節(jié)能降耗非常重要。

(5)在非線性負(fù)荷情況下，電網(wǎng)需要向配電網(wǎng)多輸送3.5%甚至更多的電能才能滿足需求。 2100433B

諧波電流在電網(wǎng)中流過時(shí)，與同頻諧波電壓產(chǎn)生諧波功率。而諧波功率的物理意義就是諧波網(wǎng)損，所以增大了電網(wǎng)的線損，對(duì)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。

而對(duì)于電力公司來講，“線損率”是一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)，這是綜合反映電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理水平和電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo)之一，顯然諧波功率的產(chǎn)生對(duì)“線損率”是不利的。特別是近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提高，大量的非線性負(fù)荷接入低壓電網(wǎng)，特別是0．4 kV民用負(fù)荷。這些負(fù)荷雖然單個(gè)容量不大，但數(shù)量巨大而且分布廣泛，會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流。

0.4 kV側(cè)的相電流諧波含量基本都在5%～20%之間，個(gè)別高達(dá)40%。中性線中的諧波含量更是在90%以上，有些甚至高達(dá)200%。這些非線性負(fù)荷發(fā)出的諧波功率大部分消耗在低壓網(wǎng)絡(luò)，真正從低壓電網(wǎng)饋入高壓電網(wǎng)的只占很少一部分，所以準(zhǔn)確地分析計(jì)算低壓配電網(wǎng)的諧波網(wǎng)損，對(duì)于電力公司制定節(jié)能降耗的措施非常重要。

事實(shí)上，圍繞電網(wǎng)中諧波網(wǎng)損的分析計(jì)算，在國內(nèi)已開展了廣泛的研究，但是罕見有關(guān)電網(wǎng)或者配電網(wǎng)諧波網(wǎng)損的全面分析論述。