哈爾濱江北地區(qū)電網(wǎng)諧波污染分析

張冰

【摘要】隨著近代工業(yè)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種負(fù)荷不斷增加，特別是非線性負(fù)荷的增加，使得電網(wǎng)中諧波的畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，甚至已經(jīng)達(dá)到了危害電力系統(tǒng)本身及其各種用電設(shè)備安全運(yùn)行的程度，諧波的研究和治理已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題。

諧波研究的主要目的是計(jì)算母線諧波電壓、支路諧波電流、電壓和電流的總畸變率（THD），以及找出諧振條件。

目前諧波研究課題包含的內(nèi)容主要有：電力系統(tǒng)諧波潮流計(jì)算、非正弦電量的測(cè)量方法和測(cè)量裝置的研究、無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)研究等。

本文以哈爾濱江北一次變66KV系統(tǒng)為例，建立了其簡(jiǎn)化的諧波數(shù)學(xué)模型，并用諧波潮流的解耦算法計(jì)算出受諧波影響后的潮流，即求出各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓含有率，為諧波分析和濾波器的配置提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】諧波源；畸變率；諧波潮流計(jì)算；解耦法

1、電力系統(tǒng)諧波的危害

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的電氣化水平日益提高，具有非線性或時(shí)變特性的負(fù)荷也日益增多，從而在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中僅用頻率和電壓這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量電能質(zhì)量就顯得很不夠了。除了頻率和電壓外，電壓和電流的三相不對(duì)稱平衡狀況、波形畸變的情況以及由于負(fù)荷急劇變化造成的電壓閃變等技術(shù)問(wèn)題，使得電壓和電流的波形發(fā)生不同程度的畸變，在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓和電流，電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，公用電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流是對(duì)電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的污染。近年來(lái)這個(gè)問(wèn)題因?yàn)橥瑫r(shí)出現(xiàn)的兩種趨勢(shì)而變得更加嚴(yán)重。這兩種趨勢(shì)是：電力公司為改善功率因素而大量增加使用電容器組；工業(yè)界為提高系統(tǒng)的可靠性和效率而廣泛使用電力電子變流器[1]。

接入公用電網(wǎng)的諧波電流源向電網(wǎng)注入高次諧波電流，它們?cè)陔娋W(wǎng)的阻抗上產(chǎn)生高次諧波電壓降，使電網(wǎng)的電壓正弦波形發(fā)生畸變?；兒蟮碾妷河謺?huì)使線性用電負(fù)荷也流入高次諧波電流，傳遞和加重諧波污染，造成惡性循環(huán)。

諧波污染對(duì)公用電網(wǎng)的主要危害是：

1）諧波電流使輸電線路、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器產(chǎn)生附加損耗、溫度升高；系統(tǒng)變壓器和線路構(gòu)成電網(wǎng)損耗的主要部分，諧波能導(dǎo)致網(wǎng)損增大；使發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器振動(dòng)和噪聲增加；

2）使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線發(fā)生嚴(yán)重畸變，不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，導(dǎo)致用戶的異步電動(dòng)機(jī)大批損壞。

3）諧波中的較低次諧波諧振會(huì)使換流裝置工作不穩(wěn)定。

4）諧波電流會(huì)對(duì)通信、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置、計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾，損害通話的清晰度、引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)等。

5）若電網(wǎng)諧波較大，會(huì)延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用，導(dǎo)致單相重合閘失敗，或不能采用較短的自動(dòng)重合閘時(shí)間。

6）使電能計(jì)量產(chǎn)生誤差。產(chǎn)生諧波的用戶因?yàn)橄蛳到y(tǒng)送諧波功率而少計(jì)量，而受害用戶因吸收無(wú)用的諧波功率，還要多付費(fèi)。

7）諧波引起諧振，電力系統(tǒng)中廣泛使用補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器，同時(shí)設(shè)備和線路存在分布電容。它們與系統(tǒng)的感性部分（例如線路、變壓器的電抗）組合，在一定的頻率下，可能存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)系統(tǒng)中該次頻率的諧波足夠大時(shí)，就會(huì)造成危險(xiǎn)的諧波過(guò)電壓或過(guò)電流。甚至威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

8）造成電容器的損壞。電力系統(tǒng)中的諧波對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器有較大影響：①、增加介質(zhì)損耗；諧波產(chǎn)生的損耗和諧波次數(shù)成正比，高次含量越大，產(chǎn)生的損耗也越大，使電容器溫度升高。電容器溫度升高又引起介質(zhì)損耗增加。這樣反復(fù)循環(huán)，最后導(dǎo)致電容器熱擊穿。②、引起或加劇介質(zhì)內(nèi)部的局部放電；如果諧波電壓疊加在工頻電壓上，因暫態(tài)過(guò)電壓而放電，就可能不會(huì)消滅而不斷擴(kuò)大，促使電容器損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)因諧波而損壞的電器設(shè)備中電容器占40%。

9）增加了電網(wǎng)損耗；諧波在電力系統(tǒng)和用戶電氣設(shè)備上要造成附加損耗，諧波功率本身可以說(shuō)完全是損耗，從而增大了網(wǎng)損。研究指出，若諧波電壓和電流都控制在一般標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，則可估出非線性用戶注入電網(wǎng)的諧波功率和其用電負(fù)荷之比是在0.1%這個(gè)數(shù)量級(jí)，這和某些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符。但若諧波過(guò)大或發(fā)生諧振，則損耗將大大增加。若一個(gè)總負(fù)荷5000兆瓦的大電網(wǎng)，當(dāng)各類非線性負(fù)荷共1000兆瓦時(shí)，注入電網(wǎng)的諧波功率平均為0.2，則總的諧波損耗平均為2兆瓦，年損失電量達(dá)1752萬(wàn)kWh，因此諧波對(duì)網(wǎng)損的影響不能忽視。

2、哈爾濱江北一次變諧波污染分析

220KV江北一次變位于哈爾濱市松北區(qū)萬(wàn)寶鎮(zhèn)，該變電所共有兩臺(tái)220KV變壓器（容量90000KVA）、1條220KV線路及多條66KV線路（其中北二線為必保線路為石油管理局加壓站專供線路）負(fù)責(zé)為哈爾濱市松北區(qū)、呼蘭區(qū)、肇東市（縣級(jí)市）多個(gè)區(qū)縣輸送電力，負(fù)荷性質(zhì)為工業(yè)、農(nóng)業(yè)負(fù)荷。其下級(jí)有肇東、松浦、利民、長(zhǎng)安、托公、澇州、四站、東長(zhǎng)發(fā)、曲鄉(xiāng)、前進(jìn)、呼鋼11個(gè)66KV變電所。江北一次變電所四季負(fù)荷變化不大，負(fù)荷率在基本在80～85%之間，最大負(fù)荷可達(dá)130000KVA。

哈爾濱市政府坐落于松北區(qū)，該區(qū)內(nèi)的利民經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)集中了哈市多所大中院校以及一批高新企業(yè)，江北地區(qū)的供電質(zhì)量好壞與否不但影響民計(jì)民生，更關(guān)乎企業(yè)生存。

在呼蘭區(qū)境內(nèi)的呼蘭新紅鋼有限公司是一個(gè)鋼年產(chǎn)量達(dá)30萬(wàn)噸、產(chǎn)值60億元的鋼鐵冶煉企業(yè)，該鋼廠生產(chǎn)用電由江北變下的利民變66KV利鋼線專供（由利民變至呼鋼變，呼鋼變負(fù)荷達(dá)30000KVA），該鋼廠的生產(chǎn)對(duì)江北地區(qū)的用電環(huán)境造成了一定影響。

基波潮流的計(jì)算與分析

取基準(zhǔn)電壓UB=66KV，基準(zhǔn)功率SB=100MVA，則基準(zhǔn)阻抗ZB=UB2/SB=662/100=43.56Ω，對(duì)于n次諧波X'=n×X、B'=B/n。

為方便計(jì)算，采用簡(jiǎn)化公式，即忽略輸電線的電導(dǎo)及50KM以內(nèi)的輸電線路可不用計(jì)及電納。在已知系統(tǒng)基波的等值電路下，變壓器的阻抗標(biāo)幺值ZT*、線路的阻抗標(biāo)幺值Z*和電納標(biāo)幺值B*以及節(jié)點(diǎn)基波功率標(biāo)幺值S*可分別由公式求取：

根據(jù)系統(tǒng)給出的線路、變壓器和節(jié)點(diǎn)出力等參數(shù)，求得各線路阻抗、節(jié)點(diǎn)基波功率和變壓器阻抗

三次諧波電壓含有率的計(jì)算

利用諧波潮流解耦算法程序，輸入所需的數(shù)據(jù)，即可求出系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)3次諧波電壓含有率和相角的分布，其結(jié)果見(jiàn)表所示。

根據(jù)66KV系統(tǒng)奇次諧波含有率為2.4%，可見(jiàn)5次諧波時(shí)僅有節(jié)點(diǎn)2、3諧波電壓含有率已超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值，也應(yīng)得到相應(yīng)的治理。7次諧波電壓含有率各節(jié)點(diǎn)都沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值。

按照諧波潮流的解耦算法，對(duì)哈爾濱江北一次變的66KV系統(tǒng)進(jìn)行了諧波含有率的分析，分析表明：2、3次諧波含有率較大，而且主要集中于利民、呼鋼、和呼蘭變電站，這將直接威脅到這幾個(gè)變電站所屬系統(tǒng)的用電設(shè)備以及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，治理諧波刻不容緩。

3、結(jié)論

諧波影響分析是整個(gè)諧波研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其是地區(qū)配電網(wǎng)諧波影響分析和計(jì)算需要對(duì)電網(wǎng)及其相關(guān)理論（如：無(wú)功功率補(bǔ)償理論、電力系統(tǒng)潮流計(jì)算理論、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)理論等）有較深入的學(xué)習(xí)和研究，通過(guò)計(jì)算找出給定網(wǎng)絡(luò)的諧波含有率超標(biāo)點(diǎn)，為諧波抑制裝設(shè)濾波器提供了很好的數(shù)據(jù)參考，以便更好地改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。

通過(guò)具體工作和認(rèn)真研究，得出如下主要結(jié)論：

1、通過(guò)對(duì)電弧爐電氣系統(tǒng)的諧波分析問(wèn)題的研究，得出了電弧爐的電氣系統(tǒng)的接線方式；基于交流電弧的物理特性，給出了交流電弧的等效模型；最后給出了電弧模型參數(shù)的估算方法。

2、結(jié)合線性法和非線性法兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，考慮應(yīng)用多諧波源的諧波潮流解耦算法，該算法改變常規(guī)算法中將基波潮流與諧波潮流聯(lián)立迭代的方法，使基波潮流通過(guò)牛頓法迭代求解，諧波潮流通過(guò)高斯消元法求解，兩者通過(guò)功率方程相關(guān)聯(lián)，并以此考慮基波與諧波之間的相互影響。該算法具有較高的計(jì)算精度，同時(shí)顯著減少了計(jì)算量，節(jié)省了內(nèi)存，提高了計(jì)算速度，收斂可靠。

3、按照諧波潮流的解耦算法，對(duì)哈爾濱江北一次變的66KV系統(tǒng)進(jìn)行了諧波含有率的分析，分析表明：2、3次諧波含有率較大，而且主要集中于利民、呼鋼、和呼蘭變電站，這將直接威脅到這幾個(gè)變電站所屬系統(tǒng)的用電設(shè)備以及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，治理諧波刻不容緩。

對(duì)地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，不僅可以描繪出各種工況下全網(wǎng)的諧波潮流分布，還可以計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的諧波含有率程度，是分析地區(qū)配電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)和主要依據(jù)，因此，對(duì)地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，具有非常重要的意義，是諧波分析、管理和抑制的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作。

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