電力諧波在配電網(wǎng)中的危害和無功優(yōu)化設(shè)計

國網(wǎng)丹東供電公司 張春華 張建輝 董秀峰 張孝強 關(guān)長清

電力諧波在配電網(wǎng)中的危害和無功優(yōu)化設(shè)計

國網(wǎng)丹東供電公司 張春華 張建輝 董秀峰 張孝強 關(guān)長清

本文提出了諧波畸變情況下對配電網(wǎng)進行無功優(yōu)化設(shè)計采用有源濾波器+智能化混合補償裝置，結(jié)合我國配電網(wǎng)實際,積極研發(fā)設(shè)計應(yīng)用智能化混合補償技術(shù),能使系統(tǒng)網(wǎng)損和諧波畸變率均得到改善，對于推動配電網(wǎng)的技術(shù)革命具有較好的借鑒意義。

智能配電網(wǎng)；電力諧波；無功優(yōu)化；智能化混合補償

0 引言

智能配電網(wǎng)與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比,具有以下功能特征：

從功能特征上講,智能電網(wǎng)在系統(tǒng)安全性、供電可靠性、電能質(zhì)量、運行效率、資產(chǎn)管理等方面較傳統(tǒng)電網(wǎng)有著實質(zhì)性的提高;支持各種分布式發(fā)電與儲能設(shè)備的即插即用;支持與用戶之間的互動。

從技術(shù)組成方面講,智能電網(wǎng)是集計算機、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導(dǎo)材料等領(lǐng)域新技術(shù)、新設(shè)備在輸配電系統(tǒng)中應(yīng)用的總和。這些新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用不是孤立的、單方面的,不是對傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)進行簡單地改進、提高,而是從提高電網(wǎng)整體性能、節(jié)省總體成本出發(fā),將各種新技術(shù)、新設(shè)備與傳統(tǒng)的輸配電技術(shù)進行有機地融合,使電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及保護與運行控制方式發(fā)生革命性的變化。

而智能配電網(wǎng)所有這些的實現(xiàn)離不開電能質(zhì)量的安全因數(shù)，現(xiàn)如今電力電子技術(shù)必然繼續(xù)蓬勃發(fā)展，大量非線性時變負(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)的“諧波污染”[1]，尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象，配電網(wǎng)諧波污染必然更加嚴(yán)重。諧波不僅降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率，而且給用電設(shè)備的正常運行帶來嚴(yán)重的危險。對于電力系統(tǒng)，諧波會放大系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振現(xiàn)象，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，導(dǎo)致區(qū)域性停電事故，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電氣設(shè)備，諧波可以使電氣設(shè)備產(chǎn)生振動和噪音，還可以產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，促使絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命[2]，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波與普通電話線路傳輸?shù)囊纛l信號及人耳的音頻敏感信號比，在信號頻帶上具有一定的重疊性，而且二者功率相差懸殊。

所有這些嚴(yán)重阻礙了智能配電網(wǎng)的發(fā)展，諧波抑制將更加被人們重視，如何會獲得更好的電能，根據(jù)目前配電網(wǎng)自動化發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外配電網(wǎng)自動化的技術(shù)經(jīng)驗和智能電網(wǎng)配網(wǎng)的要求，提出了在配網(wǎng)無功優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用有源濾波器+智能化混合補償裝置的設(shè)計方式來解決上述問題，使系統(tǒng)網(wǎng)損和諧波畸變率均得到改善，提高了配網(wǎng)的用電質(zhì)量[3]。

圖1 功率因數(shù)補償后

1 有源濾波器的主要技術(shù)原理及功能

1.1 概述

當(dāng)正弦波電壓施加在非線性負(fù)載上時，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，就會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。非正弦波中含有的頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波[3]。

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如今負(fù)載大部分是非線性負(fù)載，如在石油、化工、冶金、鋼鐵、煤礦和軌道交通等部門大量使用各種整流設(shè)備、變頻器、電弧爐等，以及照明電器、娛樂設(shè)施、UPS、電腦、電梯、空調(diào)、復(fù)印機等等，這些非線性負(fù)載會產(chǎn)生大量的諧波電流并注入到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變，這種“諧波污染”[1]會對配電網(wǎng)和用戶帶來越來越多的影響和危害。,

有源濾波器（DEAPF）經(jīng)過創(chuàng)新反復(fù)論證和實驗，用于治理電網(wǎng)諧波污染，改善電能質(zhì)量，從而保證供電可靠性、降低干擾、增長設(shè)備壽命、減少設(shè)備損壞，作用顯著。具有響應(yīng)速度快，具備連續(xù)補償和動態(tài)跟蹤補償能力，諧波濾除率高，與無源濾波器相比不會與電網(wǎng)發(fā)生諧振而且還能有效抑制電網(wǎng)本身的諧振，同時根據(jù)設(shè)定可靠兼顧無功補償和三相平衡[4]。

圖2 諧波治理前

圖3 諧波治理后

1.2 技術(shù)原理及功能

有源濾波器通過CT實時檢測線路電流，并把被檢測到的諧波轉(zhuǎn)化為處理器中的數(shù)字信號。同時，數(shù)字信號處理器（DPS）產(chǎn)生一系列寬頻脈沖調(diào)制信號，驅(qū)動IGBT功率模塊通過線路電抗器(XL)向電網(wǎng)輸出相位正好與電網(wǎng)諧波電流相反而大小相等的電流注入到電網(wǎng)中，而兩種諧波電流正好相互抵消，從而達到濾除諧波，凈化配網(wǎng)電流的目的。治理諧波的原理是根據(jù)文[3]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立的.

1.3 技術(shù)特點

有源濾波器可高效濾除2～60次的各次諧波，80μs響應(yīng)負(fù)荷變化，20ms實現(xiàn)安全跟蹤補償。改善系統(tǒng)不平衡，可完全消除因諧波引起的系統(tǒng)不平衡。抑制電網(wǎng)諧振，不與電網(wǎng)發(fā)生諧振并可以有效抑制電網(wǎng)自身的諧振?；谒矔r功率理論和RDFT技術(shù)自主創(chuàng)新的先進控制技術(shù)。具備過流、過壓、欠壓、溫度過高、測量電路故障、雷擊等多種保護功能。全數(shù)字式操作，具備友好的人機接口，使得操作簡便，易于使用維護。可擴展性，良好的功能擴展性，可以多機并聯(lián)運行便于擴展容量。通訊功能，可應(yīng)用GPRS或光纖通訊，擴展為遠程監(jiān)測甚至遠程控制，有助于配網(wǎng)自動化的實現(xiàn)。充分考慮運行經(jīng)濟性，可在負(fù)荷較輕時自動退出運行。

圖4 功率因數(shù)補償前

圖5 功率因數(shù)補償后

2 智能化混合補償主要技術(shù)原理及功能

2.1 概述

傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備如晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管控制投切電抗器（TCR）等，其響應(yīng)時間慢，分級投切，有補償死區(qū)，濾波能力有限，在諧波大的場合，電容器容易受到損壞，受系統(tǒng)阻抗變化較大，在快速波動的場合，補償效果差，但由于其成本較低，目前應(yīng)用范圍依舊很廣。最先進的無功補償設(shè)備——靜止無功發(fā)生器（SVG），其響應(yīng)速度快，補償線性化，無補償死區(qū)，受系統(tǒng)諧波影響小，具備分相補償能力，不受系統(tǒng)阻抗變化影響，補償效果好，但是由于其價格相對傳統(tǒng)無功補償較貴，目前大范圍使用較為困難，主要使用在沖擊性負(fù)荷、變化較快的負(fù)荷、電網(wǎng)環(huán)境較差的場合進行使用。但隨著智能配網(wǎng)自動化的實現(xiàn)，它將逐步取代傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備，登上歷史的舞臺。

2.2 技術(shù)原理及功能

結(jié)合TSC無功補償裝置和靜止無功發(fā)生裝置的優(yōu)點進行組合，采用靜止無功發(fā)生器（下稱SVG）和晶閘管控制投切電容器（下稱TSC）組成的智能化混合補償裝置，真正的動態(tài)無功濾波補償設(shè)備采用帶有控制功能的SVG模塊，來控制動態(tài)無功補償模塊（TSC）的投切，從而達到補償系統(tǒng)的無功功率兼諧波治理，模塊可實現(xiàn)平滑線性補償,補償?shù)脑硎歉鶕?jù)文[5]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立的 。同時可抵制系統(tǒng)一定容量的諧波，使補償設(shè)備補償無死區(qū)，該設(shè)備可全部實現(xiàn)分相補償及三相補償，通過液晶顯示模塊實時顯示電能參數(shù)信息，整機動態(tài)響應(yīng)時間小于10ms。通過TSC作為主要無功補償設(shè)備，SVG作為精確調(diào)整的核心設(shè)備，達到和全部采用SVG的無功補償設(shè)備性能一致。價格對用戶來說，采購的價格要高于動態(tài)無功補償，但是要遠遠低于全部采用靜止無功發(fā)生器的情況，可以看出通過性能和價格分析，智能化混合補償裝置是一款高性價比的產(chǎn)品。這個可以作為以后設(shè)計中的首選。

設(shè)計智能化混合補償裝置時，一定要注意選擇SVG和TSC時，一定要采用統(tǒng)一控制，不要出現(xiàn)TSC部分采用無功補償控制器控制無功補償設(shè)備的投入，而SVG部分又通過測控板來進行靜止無功發(fā)生器的投入，這樣會出現(xiàn)搶投、誤投等情況。

在智能化混合補償裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己在設(shè)計各種用戶的實際情況。在辦公樓、商業(yè)中心、數(shù)據(jù)中心及醫(yī)院等場合，其無功功率因數(shù)基本在0.8以上，可是其諧波含量都已經(jīng)超過了國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求，那我們要采用什么樣的設(shè)備呢?可以采用智能化混合補償裝置和有源濾波器（下稱APF）進行組合，有源濾波器設(shè)計時要求2種方式控制，一是根據(jù)無功功率的變化進行投入；二是根據(jù)諧波的變化進行投入。使其具有智能化混合補償裝置的性能，也能具備濾除諧波的性能。

3 無功補償和諧波治理的實例

圖2、3、4、5為一商業(yè)綜合中心的配電系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，采用有源濾波器+智慧型混合補償裝置對補償前后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)做了對比，效果明顯。

設(shè)備投入后，系統(tǒng)諧波電流畸變率由20.6%降至4.3%，3次諧波電流由37.9A減小到4.9A；補償前功率因數(shù)0.78，設(shè)備投入后功率因數(shù)補償至0.99，效果明顯。

綜上，在系統(tǒng)嚴(yán)重的諧波污染得到完美的治理后，系統(tǒng)的整體運行效率將會得到提升，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行也可以得到有力的保障，因此諧波治理對系統(tǒng)的效益十分巨大。

在采用有源濾波器+智能化混合補償裝置對系統(tǒng)諧波污染進行治理后的效益：

（1）減少諧波含量，避免電容器組和系統(tǒng)電路可能會發(fā)生的并聯(lián)諧振而引起的燒毀，保證無功補償柜的正常運行；

（2）減小流過配電線路的電流有效值，提高功率因數(shù)；

（3）減少控制設(shè)備和繼電保護裝置誤動作或拒動作，提高供電的安全和可靠性；

（4）減小變壓器的附加損耗，降低噪聲，提升變壓器的帶載能力；

（5）在有源濾波器容量足夠的情況下，一般情況下濾波后的電流畸變率在5%左右；

（6）DEAPF接入后，還能提升變壓器和配電線纜的帶載能力，相當(dāng)于對系統(tǒng)進行了一次擴容，減少了系統(tǒng)在擴容方面的投入；

（7）為精密設(shè)備穩(wěn)定正常工作提供保證。

4 結(jié)論

伴隨著智能電網(wǎng)在中國大地上生根發(fā)芽，配電網(wǎng)也與時俱進的迎來了數(shù)字化革命時代，帶來了先進的智能電網(wǎng)配電系統(tǒng)，體現(xiàn)在先進的通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)和高端的系統(tǒng)控制技術(shù)。而傳統(tǒng)的配網(wǎng)設(shè)備由于存在諸多的不可靠因素，將無法與之完美配合；因此迫切需要一種運行穩(wěn)定，功能齊全的智能配網(wǎng)智能化混合補償裝置與之協(xié)調(diào)工作，智能化混合補償裝置就是為配網(wǎng)數(shù)字化革命而設(shè)計的，無論從設(shè)計理念還是控制思想都體現(xiàn)了與智能配網(wǎng)的高度配合，充分發(fā)揮了智能配網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)設(shè)備功能完善化，技術(shù)智能化，通信集成化、結(jié)構(gòu)模塊化、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化等特點。

[1]IEEE Working Group on Power Systems Harmonics．The effects of power system harmonics on power system equipment and loads [J]．IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1985，PAS-104：2555-2563．

[2]Lemieux G．Power system harmonic resonance—a documented case[J]．IEEE Trans on Industry Applications，1990，26(3)：483-488．

[3]GB/T14593-1993.電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波[S]

[4]GB/T15543-1995.電能質(zhì)量——三相電壓允許不平衡度[S]

[5]GB50227-1995并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范[S]