企業(yè)級配電網(wǎng)絡(luò)諧波計算面臨的問題和解決方案

王名洲

（中國寰球工程有限公司北京分公司）

0 引言

近年來，在企業(yè)級電力網(wǎng)中，非線性負(fù)載的逐漸增加成為世界范圍內(nèi)的共同趨勢，如采用變頻器驅(qū)動的卷揚(yáng)機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等。重要負(fù)載所用的不間斷電源（UPS）、直流電源、電力電容器、中頻電爐、大量的LED光源照明設(shè)備，以及大功率的變頻空調(diào)暖通設(shè)備，作為非線性負(fù)載工作時都會產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓。

電力系統(tǒng)中諧波的存在會引起各種問題，包括設(shè)備過熱、功率因數(shù)降低、電氣設(shè)備性能惡化、保護(hù)繼電器的錯誤動作、對通信設(shè)備的干擾等，在某些情況下，電路諧振會導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣失效和其他類型的嚴(yán)重?fù)p壞。

更糟糕的是，一個區(qū)域產(chǎn)生的諧波電流可以穿透電網(wǎng)并傳播到其他區(qū)域，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的電壓和電流畸變。由于電力系統(tǒng)中電子器件和設(shè)備的使用越來越多，這一現(xiàn)象已成為電力系統(tǒng)質(zhì)量的一個主要問題。然而，盲目增加濾波設(shè)備會大幅增加項(xiàng)目投資，增加變電站面積，并會增加后期操作人員使用及維護(hù)難度，因此，精確地計算和分析工廠電力系統(tǒng)中的諧波含量變得非常重要。

1 電網(wǎng)諧波計算的主要問題

目前，對于新建的工程項(xiàng)目，電網(wǎng)的諧波量和諧波影響一般采用估算法判斷，如根據(jù)諧波源容量占變壓器容量的比例來估算系統(tǒng)的諧波含量是否超標(biāo)。由于這類估算方法不夠精確，因此在設(shè)計時一般采用加大保險系數(shù)來保證系統(tǒng)的諧波電壓畸變率和電流畸變率可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而造成一次性投資增高。同時，由于濾波系統(tǒng)設(shè)計不準(zhǔn)確，電網(wǎng)運(yùn)行過程中還會經(jīng)常發(fā)生斷電、跳閘等問題，影響正常生產(chǎn)，嚴(yán)重的還會影響安全生產(chǎn)。特別是煉油化工廠，由于介質(zhì)高溫、高壓，生產(chǎn)條件要求極其嚴(yán)格，若突然跳閘、斷電，后果會很嚴(yán)重。

諧波影響的計算和分析是進(jìn)行濾波系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的ETAP軟件（美國OTI公司研發(fā)的電氣系統(tǒng)仿真計算軟件）廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外工程項(xiàng)目中的電力網(wǎng)絡(luò)計算，其諧波計算方法符合國際 IEC（國際電工委員會）標(biāo)準(zhǔn)。但是，在項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過程中，系統(tǒng)的諧波分析計算需要根據(jù)各個應(yīng)用設(shè)備手動輸入電氣設(shè)備的相關(guān)信息，如電氣負(fù)荷情況、電纜情況，同時也需要手動輸入各種設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，建模工作量大、繁瑣。另外，錄入收集工作受各產(chǎn)品供應(yīng)商限制，設(shè)計人員往往較難完成，而利用典型數(shù)據(jù)庫往往造成計算結(jié)果偏離，無法用來設(shè)計相應(yīng)濾波系統(tǒng)和達(dá)到預(yù)期效果。

以美國福陸公司PMT（項(xiàng)目管理組織）的《沙特磷礦項(xiàng)目》為例。該項(xiàng)目屬于礦山建設(shè)工程，因使用大量的變頻調(diào)速電動機(jī)，會產(chǎn)生超標(biāo)的諧波電流和電壓。若采用以往估算的辦法對系統(tǒng)的諧波含量進(jìn)行估算，并按照估算結(jié)果設(shè)計濾波系統(tǒng)，則需要采購大量有源濾波設(shè)備，這將造成極大的浪費(fèi)，此種做法不符合科學(xué)合理的設(shè)計理念。因此，設(shè)計《沙特磷礦項(xiàng)目》電源濾波系統(tǒng)時，在 ETAP軟件的基礎(chǔ)上開展了諧波計算研究。

2 諧波計算軟件研究

2.1 研究內(nèi)容

主要開展三方面研究：一是建立電氣 ACCESS（Microsoft關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫，存儲各種電氣設(shè)備基本數(shù)據(jù)，包含諧波數(shù)據(jù)；二是開發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口；三是利用 VBA（Visual Basic for Applications語言）對ETAP計算結(jié)果進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分析，生成諧波分析報告。

首先，利用ACCESS建立諧波數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目情況，依據(jù)供貨商提供的由權(quán)威諧波鑒定機(jī)構(gòu)證明的資料，采集相應(yīng)電氣設(shè)備可能產(chǎn)生的1次至50次諧波數(shù)據(jù)，建立包含諧波數(shù)據(jù)的ACCESS數(shù)據(jù)庫。

其次，進(jìn)行 ETAP軟件與該項(xiàng)目電氣數(shù)據(jù)之間傳輸?shù)慕涌谠O(shè)置，將該項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)資料導(dǎo)入到ETAP中進(jìn)行諧波計算。

最后，將 ETAP計算出的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出進(jìn)行二次分析，包含計算系統(tǒng)支路諧波電流，并與 IEC、IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)值比對，生成諧波分析報告，并繪制相關(guān)圖形。

2.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

諧波計算軟件主要執(zhí)行下列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

IEC TR 61000-2-5—2017《電磁兼容性（EMC）-第2-5部分：環(huán)境-電磁環(huán)境的描述和分類》；

IEEE Std 519—2014《IEEE推薦的電力系統(tǒng)諧波控制的做法和要求》；

GB/T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》。

2.3 諧波計算軟件功能模塊與邏輯關(guān)系

在研究過程中發(fā)現(xiàn)，很多情況下諧波電壓畸變率滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是諧波電流超標(biāo)；或者母線諧波電流畸變率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是支路諧波電流超標(biāo)。因此，對該項(xiàng)目在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次分析，可以詳細(xì)查看各個支路諧波電流超標(biāo)情況，以便于在超標(biāo)的支路上配置小型調(diào)諧濾波器。

二次開發(fā)的諧波計算軟件主要包含三部分模塊：一是電氣設(shè)備參數(shù)導(dǎo)入模塊，主要有電動機(jī)參數(shù)導(dǎo)入功能、動力電纜參數(shù)導(dǎo)入功能、變頻器參數(shù)導(dǎo)入功能、變壓器參數(shù)導(dǎo)入功能、UPS參數(shù)導(dǎo)入功能；二是電氣諧波參數(shù)導(dǎo)入模塊，主要有外電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能、變頻器諧波數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能、UPS諧波數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能、直流電源諧波數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能、LED光源諧波數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能；三是電氣計算模塊，主要功能有 ETAP諧波數(shù)據(jù)二次分析、支路諧波電流計算、電氣系統(tǒng)并聯(lián)諧振情況檢查、標(biāo)準(zhǔn)比對、定制報告生成、結(jié)果波形繪圖。軟件主要邏輯關(guān)系見圖1。

圖1 諧波計算軟件邏輯關(guān)系圖

3 諧波計算軟件特點(diǎn)

該軟件的計算過程可以滿足IEC和IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于諧波分析的不同計算要求，既可以計算諧波電壓畸變率，也可以計算諧波電流畸變率，而且能實(shí)現(xiàn)相間諧波、支路諧波電流的計算。利用計算結(jié)果可以檢查配電系統(tǒng)當(dāng)中是否存在并聯(lián)諧振，并檢驗(yàn)調(diào)整變壓器、濾波器等參數(shù)，或更改其他配電方案后并聯(lián)諧振是否消除，以及是否需要在相應(yīng)點(diǎn)增加有源、無源濾波設(shè)備等。該電網(wǎng)諧波計算軟件具有準(zhǔn)確、實(shí)用、新穎和可拓展的特點(diǎn)。

3.1 準(zhǔn)確性

一是從源頭上做到準(zhǔn)確。目前，國內(nèi)外同類諧波計算普遍采用典型 IEEE數(shù)據(jù)模型或少數(shù)廠商的典型數(shù)據(jù)模板作為諧波分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，本次計算應(yīng)用是根據(jù)各個項(xiàng)目的實(shí)際情況，錄入實(shí)際諧波源的真實(shí)數(shù)據(jù)，從而獲得更準(zhǔn)確的計算結(jié)果。

二是從過程中做到準(zhǔn)確。該軟件不僅能夠按照IEC TR 61000-2-5—2017《電磁兼容性（EMC）-第2-5部分：環(huán)境-電磁環(huán)境的描述和分類》中6.2.1-1的計算方法計算總電壓諧波畸變率，而且可以按照IEEE Std 519—2014《IEEE推薦的電力系統(tǒng)諧波控制的做法和要求》中6.2.2-1的計算方法計算總、支路電流諧波畸變率，從而根據(jù)各個項(xiàng)目的不同執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確判斷諧波水平的達(dá)標(biāo)情況。導(dǎo)入數(shù)據(jù)滿足諧波潮流計算方法的要求，可根據(jù)不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，選擇自適應(yīng)牛頓-拉夫遜法、加速高斯-賽德爾法進(jìn)行潮流迭代計算，最大迭代次數(shù)可達(dá)99次，精確度可達(dá)0.000 1。

3.2 實(shí)用性

在可行性研究或初步設(shè)計階段，可調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)收集的變頻器、UPS、直流電源等諧波元信息，并導(dǎo)入項(xiàng)目相關(guān)負(fù)荷情況、變壓器參數(shù)、電纜參數(shù)等電氣設(shè)備信息，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行電氣系統(tǒng)諧波影響計算和分析，設(shè)計和校核人員可以直觀地比較各種方案的利弊。

在詳細(xì)設(shè)計階段，可以靈活、快速地以廠商訂貨文件數(shù)據(jù)替換初步設(shè)計計算模型中的數(shù)據(jù)。待系統(tǒng)中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性逐步提高、完善后，可以校驗(yàn)諧波濾波器的參數(shù)設(shè)計是否合理，可以通過頻率掃描結(jié)果檢驗(yàn)并聯(lián)諧振，并允許調(diào)整濾波器參數(shù)以檢查最終結(jié)果，檢驗(yàn)是否正確配置變壓器相移從而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)阻抗相角，以及合理選擇配置電容器串聯(lián)電抗器的阻抗百分比等，做到合理設(shè)計。

在設(shè)備采購階段，可以在項(xiàng)目初期調(diào)用歷史相似數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，在不需向供應(yīng)商咨詢參數(shù)的情況下，就初步確定所需要的設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確、合理性?？梢凿浫胍淹瓿身?xiàng)目的諧波數(shù)據(jù)等信息，形成歷史資料庫，以便提前確定長周期供貨的電氣設(shè)備，如長距離電纜的參數(shù)要求，以及如電容器、濾波器配置具體訂貨參數(shù)的準(zhǔn)確算定等。

3.3 新穎性

諧波計算軟件可以有效提升電氣建模、計算的速度，具有自動計算、分析及比對功能；可以分析諧波電壓、諧波電流對各電氣設(shè)備的影響，具有頻率掃描功能；可以將高次諧波及間諧波含量錄入和計算；可以產(chǎn)生各種圖形信息，方便插入計算報告中，使報告更加形象、生動。

3.4 可拓展性

此項(xiàng)應(yīng)用軟件的開發(fā)及使用方法可拓展到電氣專業(yè)的其他計算中。如，利用軟件得出并錄入的諧波電壓含量、總畸變率等數(shù)據(jù)信息，可進(jìn)一步為繼電保護(hù)整定的準(zhǔn)確性、合理性提供一定的數(shù)據(jù)支持。可將電氣數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容批量導(dǎo)入到ETAP中，從而以潮流計算的形式進(jìn)行更加準(zhǔn)確的負(fù)荷計算，為設(shè)備選型給出快速、準(zhǔn)確的依據(jù)?？墒褂密浖㈦妱訖C(jī)、電纜相關(guān)信息導(dǎo)入 ETAP模型中，從而在初步設(shè)計階段就能夠較為準(zhǔn)確地判斷大容量電動機(jī)的啟動狀況，以及對系統(tǒng)中各母線電壓水平的影響。

4 應(yīng)用情況

應(yīng)用該軟件完成了“沙特磷礦項(xiàng)目”供配電系統(tǒng)諧波計算，根據(jù)計算結(jié)果精準(zhǔn)地設(shè)計了濾波系統(tǒng)，與以往常規(guī)估算方法相比，該項(xiàng)目的濾波系統(tǒng)在合理設(shè)計且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，節(jié)省一次性投資1 000余萬元人民幣。同時，由于設(shè)計精準(zhǔn)，有效保證了電網(wǎng)供電質(zhì)量。目前，該軟件還在“尼日爾 I期穩(wěn)產(chǎn)項(xiàng)目”“太三變電站安全隱患治理工程項(xiàng)目”等國內(nèi)外多個項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，諧波計算和治理方案得到用戶肯定。