浙江省諧波污染源調查統(tǒng)計及分析

馬智泉，查 蕾，胡 諄，李 培，徐群偉

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012）

0 引言

隨著浙江省產業(yè)結構升級，對電能質量敏感的半導體產業(yè)、大型數據中心、高端裝備制造和精細化工等產業(yè)迅速興起，高端電力用戶對高品質電能的要求和依賴性越來越高，提供潔凈、高標準的用電環(huán)境是電網公司新的使命與挑戰(zhàn)[1-2]。

用戶側的電力質量需求提升，浙江省源-網-荷三側的諧波污染源總量卻在不斷攀升。東部沿海風電基地建成后，電力電子發(fā)電設備比重迅速提升，大型海上風電全功率變流、長距離海底電纜等并網特性下不可避免地產生諧波問題[3]。負荷側電力電子型負荷迅速增加，如工業(yè)企業(yè)推廣變頻器、電動汽車充電站迅速推廣等，用電側諧波預防控制與治理的壓力日益增大，準確的諧波污染源定位和責任劃分是開展諧波治理的重要前提[4]。電網側新建換流站工程眾多，新型柔性換流站實際運行中遇到的諧波電能質量問題尚未得到充分研究。類似云南魯西工程“4.10”1.27 kHz高頻諧振[5]、渝鄂柔直背靠背1.8 kHz 高頻振蕩[6]等諧波/諧振問題，在浙江多端柔性輸電工程中也曾有發(fā)生，并造成繼電器等設備損壞。新型電力電子工程的諧波問題仍需要更深入的研究。

為更好地提供優(yōu)質電力服務，保障浙江經濟社會發(fā)展，開展了全省范圍內諧波污染源調研和統(tǒng)計。根據產業(yè)特點以及污染源性質對諧波污染源進行分類，收集諧波污染源的現場測試數據，分析諧波污染源現狀以及污染水平。結合浙江省主要典型的諧波異常和事故案例，簡要分析電子化電網的諧波問題，并根據實際工程條件提出技術解決措施。

1 浙江省諧波污染源普查與統(tǒng)計

1.1 諧波污染源調查分類與統(tǒng)計原則

諧波污染源調查參照國家標準《國民經濟行業(yè)分類》（GB/T 4754—2017）[7]和行業(yè)標準《電能質量現象分類》（NB/T 41004—2014）[8]，調研各個地區(qū)公司的諧波污染源分布情況。按照污染源所處行業(yè)、負荷性質等分類，調查整流、變頻等工業(yè)企業(yè)，風電光伏等新能源發(fā)電廠（站）以及直流換流站接入對電網造成的諧波污染影響，制定全省污染源臺帳。

為調查分析更加清晰方便，結合實際情況，將全省諧波污染源分為常規(guī)諧波用戶、新能源發(fā)電企業(yè)、交通行業(yè)和換流站等四大類，見表1。常規(guī)諧波用戶指使用了大型整流、變頻等非線性電氣設備的工商業(yè)電力用戶負荷，如軋鋼廠、化工廠等；新能源發(fā)電企業(yè)主要是指采用非同步發(fā)電機發(fā)電方式的企業(yè)，如光伏、風電等；交通行業(yè)主要包含電氣化鐵路、城市軌道交通以及電動汽車充換電站等；換流站包括高壓直流輸電換流站、柔性直流輸電換流站、城市配網柔性換流站等。

參照《電力系統(tǒng)電能質量技術管理規(guī)定》（DL/T 1198—2013）[9]的要求。將符合表2 的諧波污染源納入調查統(tǒng)計范圍。

1.2 諧波污染源用戶整體調查結果

全省統(tǒng)計有諧波污染源用戶1 124 個（不含電網換流站），其中，常規(guī)諧波污染用戶625 個、新能源發(fā)電廠（站）371 個、交通行業(yè)用戶128 個。全省諧波污染源分布情況如圖1 所示。全省諧波污染源中，220 kV 電壓等級接入43 個、110 kV 電壓等級接入74 個、35 kV 電壓等級接入105 個、20 kV 電壓等級接入74 個，10 kV 電壓等級接入828 個，各地市的諧波污染按電壓等級分布如圖1 所示。其中：10 kV 電壓等級接入的諧波污染源數量最多，以常規(guī)諧波用戶居多；20 kV 電壓等級以光伏發(fā)電為主；35 kV 和110 kV 電壓等級以常規(guī)和新能源為主；220 kV 以電氣化鐵路牽引站為主。

表1 諧波污染源的統(tǒng)計分類

表2 諧波污染源的統(tǒng)計范圍

2 常規(guī)諧波污染源調查結果

2.1 常規(guī)諧波污染源整體統(tǒng)計

參考GB/T 4754 標準的行業(yè)分類，常規(guī)諧波污染源按行業(yè)分類見表3。浙江省共有常規(guī)諧波污染用戶625 個。按行業(yè)類型統(tǒng)計，共有冶金178個、機械198 個、紡織119 個、化工55 個、電子15 個、其他66 個，見圖2。

圖1 浙江省諧波污染用戶統(tǒng)計

表3 常規(guī)污染源的行業(yè)分類統(tǒng)計說明

表4 參照DL/T 1198—2013 開展負荷性質分類。為方便地市供電公司統(tǒng)計，對負荷性質分類做一定的簡化，負荷共分為電弧型、整流型、變頻型和沖擊型四大類，共有電弧型95 個、整流型87 個、變頻型399 個、沖擊負荷型44 個，全省常規(guī)諧波污染用戶負荷類型構成見圖2。電弧型負荷為交流電弧爐負荷，暫未統(tǒng)計到直流電弧爐負荷；整流型負荷主要包括電除塵器等使用整流設備負荷；沖擊型負荷主要為交流電弧爐之外對電網同時造成諧波、電壓波動的負荷，包括軋機、電焊機和門吊等。主要污染負荷類型以變頻型居多，占比為63.8%。電弧型、整流型、變頻型和沖擊型負荷的總容量分別為648 MW，393 MW，937 MW 和184 MW，變頻負荷同為最大。

圖2 浙江省常規(guī)諧波污染統(tǒng)計

表4 常規(guī)諧波污染源的負荷性質分類說明

2.2 常規(guī)諧波污染源的諧波特性

浙江省各地市供電公司通過在線監(jiān)測或者現場測試等手段[10]，開展用戶電能質量日常管理。2010—2019 年，累積省內鋼鐵等多個行業(yè)的諧波測量數據。常規(guī)諧波污染源用戶電源進線處現場測量的典型諧波特性見表5，測量發(fā)現多個行業(yè)的用戶諧波普遍超標。典型諧波一般為5 次、7次、11 次等奇數次諧波，以5 次諧波最為普遍。冶煉企業(yè)如電弧煉鋼存在3 次諧波，并且其他各次諧波電流含有率較高[11]，因其負荷電壓等級高且容量大，對浙江電網電能質量影響最大，且存在電網電容器等設備損壞的案例。影響其次為印染等紡織行業(yè)，其多以工業(yè)聚集區(qū)的形式并網，造成電網接入點重度諧波污染。

表5 常規(guī)諧波源的諧波電流實測特性 %

3 新能源調查結果

3.1 新能源整體統(tǒng)計

浙江省新能源廠（站）共計371 個，統(tǒng)計結果見圖3。調度口徑新能源裝機容量10 720 MW，風電1 880 MW，光伏8 840 MW[12]。全省已建成以陸上風電為主的28 個大中型風電場，受氣象和地理條件等自然資源影響，未來省內陸上風電新建項目較少；海上風電場已建成2 座，籌建和在建嘉興1 號，岱山1 號、2 號、4 號，嵊泗5 號、6 號等海上風電場，未來海上風電裝機容量將超過6 000 MW。光伏以嘉興地區(qū)數量最多，未來分布式光伏裝機將超過8 000 MW，約占全省電源容量的10%。

圖3 浙江省新能源場站統(tǒng)計

3.2 新能源的諧波特性

新能源并網通常采用雙饋風機（陸上風電），直驅風機（海上風電）和光伏逆變器，整體諧波水平良好，絕大多數工程均能滿足國家標準要求。海上風電場通常采用長距離海底電纜并網，電纜的容性效應使得海上風電場的諧波問題比陸上風電更突出[3-13]，浙江某海上風電在低風速工況下檢測到諧波電流超標。新能源諧波特性諧波電流實測情況見表6。

4 交通行業(yè)用戶的調查結果

4.1 交通行業(yè)用戶整體統(tǒng)計

交通行業(yè)用戶包括電氣化鐵路、城市軌道交通、電動汽車等。全交通行業(yè)用戶變電站128 個，其中，電氣化鐵路46 個、城市軌道交通8 個、電動汽車74 個；采用220 kV 電壓等級接入的28個、110 kV 接入的11 個、10 kV 接入的81 個（如圖4）。電氣化鐵路接入電壓等級主要為220 kV，城市軌道交通主要為110 kV，電動汽車充換電站主要為10 kV。

表6 新能源諧波特性諧波電流實測特性 %

圖4 浙江省交通行業(yè)用戶統(tǒng)計

4.2 電氣化鐵路牽引站統(tǒng)計

全省交通行業(yè)用戶中，對電網電能質量影響最大的是電氣化鐵路牽引站，牽引負荷為大功率、非正弦性、非對稱性、非連續(xù)性負荷。表7 和圖5 統(tǒng)計了已建成的電氣化鐵路工程。

按工程建設角度統(tǒng)計： 蕭甬、滬杭、浙贛和宣杭為既有鐵路電氣化改造，其余為新建工程。

按鐵路類型統(tǒng)計分成貨運、客運和客貨混跑。其中，客運鐵路有3 個速度等級： 350 km/h 高鐵（滬杭高鐵等）、250 km/h 動車（甬臺溫等）、160 km/h 市域鐵路（溫州市域鐵路等）。

按供電角度統(tǒng)計： 大部分牽引站（250 km/h 及以上設計時速）以220 kV 接入；220 kV 等級供電的牽引變除杭甬高鐵涌潮牽引站外，均采用VX接線，涌潮牽引站國內首個試點采用220 kV 平衡變接線；110 kV 等級供電牽引站接線有單相、VX 和平衡變，新建工程一般采用平衡變。

表7 浙江省已建成的電氣化鐵路工程

圖5 浙江省電氣化鐵路牽引站統(tǒng)計

除已建成13 條鐵路的46 座牽引站外，浙江省內在建和擬建工程有杭紹臺（5 座）、衢寧（4座）、商合杭（1 座）、金臺（4 座）、甬金（4 座）、穿山港（1 座）、籌備湖蘇滬、杭臨績、甬舟、蘇嘉、滬乍杭、杭衢、衢麗、金建。預計全部投產后，全省電氣化鐵路牽引站將超過70 個。

4.3 城市軌道交通和電動汽車統(tǒng)計

城市軌道交通主要包括杭州和寧波地鐵。浙江省軌道交通發(fā)展相對北上廣等城市滯后，但隨著地鐵建設項目推進，軌道交通用戶專用變壓器的數量將迅速增加。

電動汽車主要包括電動汽車充換電站。為保護環(huán)境，浙江省內逐步將石化燃料改公交為純電動公交，如杭州市公交集團已建成13 個電動公交集中充電場，運行純電動客車2 312 輛，占全市4 974 輛公交車總量的46.48%，其中比亞迪純電動客車1 820 輛，占純電動汽車比重為78.72%。

4.4 交通行業(yè)用戶的諧波特性

交通行業(yè)用戶諧波負荷見表8，測量特性見表9。電氣化鐵路的主要諧波源為電力機車，交直交型與交直型機車的諧波特性差異較大,和諧號機車為主的客運專線諧波水平較韶山系列機車仍然服役的貨運鐵路明顯改善。城市軌道交通諧波源除了地鐵24 脈動整流器之外，還需要考慮地鐵的中央空調負荷。電動汽車充電站的諧波特性取決于充電樁的整流工作原理。PWM 整流相對于6 脈動/12 脈動整流，其諧波水平明顯改善，且交流側功率因數更高，現已在杭州市公交充電站普及應用。

表8 交通行業(yè)用戶的諧波污染負荷

表9 交通行業(yè)用戶的諧波電流測量特性 %

5 電網換流站的調查結果

5.1 浙江省換流站工程統(tǒng)計

常規(guī)、新能源和交通業(yè)諧波源為電網外部諧波源、電網內部裝設大容量換流設施的直流換流站等。目前全省已建成的換流站10 座，種類主要有LCC（換相換流器）和MMC（模塊化多電平換流器），統(tǒng)計情況見表10。

浙江省內已建成高壓直流輸電換流站主要有金華和紹興2 座直流特高壓換流站，其LCC 換流器均采用晶閘管換相的雙極雙十二脈動結構。在建工程有溪洛渡-浙江第三直流特高壓工程，預計建成后接入浙北電網。

表10 浙江省已建成的換流站

基于MMC 技術的柔性直流輸電技術供電具備控制靈活的獨特優(yōu)勢，在浙江省內海島電網和城市多端電網得到推廣應用，建成舟山五端柔性直流輸電和大江東直流配電網等工程。在建有海寧城市能源互聯網工程。

5.2 換流站的諧波特性

高壓直流輸電換流器諧波特性為十二脈動整流器的特性，整個換流站諧波特性還需考慮濾波器等無功設備，見本文6.3 節(jié)。柔性換流站的電平數較多，換流器端口的諧波電壓畸變小，其應以諧波電壓源的形式表示表征諧波特性。舟山多端柔性輸電換流站投運后測試結果表明，若電網背景諧波畸變較大，柔性換流站亦會流經較大諧波電流。受背景諧波水平差異影響，舟山工程的5 個換流站即使設計相同，其諧波電流水平也不盡相同。換流站典型特性見表11。

表11 換流站的諧波電流測量特性 %

6 浙江省的典型諧波污染案例

截至2019 年底，浙江省110 kV 及以上電壓等級變電站（含換流站）共1 808 座，其中已裝設電能質量在線監(jiān)測變電站493 座，占比27.3%。監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計，共有72 座變電站存在諧波電壓超標，監(jiān)測超標變電站比率約14.6%。絕大多數諧波超標變電站為5 次諧波超標，少部分為7次、11 次諧波超標。

2010—2019 年，諧波問題導致的電網/設備異常事件統(tǒng)計見表12。因諧波超標造成電容器振動、跳閘或損壞是電網運行中最常見的電能質量問題，除電容器異常外，諧波干擾正常生產或者設備損壞的惡性事件也偶有發(fā)生。

表12 諧波污染導致的異常事件統(tǒng)計

本文6.1 節(jié)的案例，工業(yè)聚集區(qū)諧波污染導致電網電容器振動和損壞。除無功設備異常外，諧波傳導可導致設備的異常退出，如本文6.2 節(jié)案例，鋼鐵廠電弧爐諧波通過公用電網傳導，干擾了風電場風機運行。

隨著輸/配電網電力電子化，新型諧波問題日益突出，諧波影響范圍從小區(qū)域電網擴展到浙江全網，如本文6.3 節(jié)，特高壓換流站特定組數雙調諧濾波器運行造成超高壓電網5 次諧波超標；電網運行中出現高頻/超高頻諧波異常，如6.4 節(jié)柔性配電網孤島試驗過程中的超高次諧波水平激增的問題。

6.1 工業(yè)聚集區(qū)的諧波污染及治理

如圖6 所示，紹興某工業(yè)集聚區(qū)遍布多家中小容量印染工業(yè)用戶，用戶協(xié)議容量一般在2.5～10 MW，通過10 kV 線路接入110 kV 變電站。印染用戶廣泛采用電除塵器和變頻器，諧波污染較大，2014 年的現場測試發(fā)現印染用電企業(yè)的5次、7 次諧波電流嚴重超標，單個用戶諧波電流總含有率超過15%。

圖6 工業(yè)聚集區(qū)的重度諧波污染

單個印染用戶的諧波超標對電網的影響相對有限，然而工業(yè)區(qū)的用戶負荷性質基本相同，在多個用戶的諧波電流共同作用下，產生“聚沙成塔”的效應，極端工況下導致110 kV 變電站的10 kV母線電壓諧波總畸變率嚴重超標（高達12%，國家標準限值4%）。變電站電容器因諧波產生振動和過熱而無法正常運行，其中1 臺電容器的串聯電抗器因劇烈振動產生裂紋。無功設備無法投運導致2 臺50 MW 主變壓器有功功率送出能力總共降低了10 MW。

為解決工業(yè)聚集區(qū)的重度諧波污染問題，紹興供電公司從電網側和用戶側同步開展諧波治理。電網側對變電站電容器組的串聯電抗器進行定制化改造，采用等效磁密原理設計抗諧波鐵芯電抗器[14]，提升了設備的諧波耐受程度；用戶側治理在用戶配電房增加APF（有源電力濾波器），從源頭減少印染企業(yè)的諧波電流。經治理后，變電站電壓諧波總畸變率由12%降至3.6%，功率因數由0.92 提高至0.94，電能質量改善效果明顯。

6.2 鋼鐵企業(yè)諧波對新能源的干擾

麗水某風電場與大型鋼鐵廠接入電網同一段110 kV 母線。風機為DFIG（雙饋異步風力發(fā)電機），風機變流器的690 V 轉子側裝設LC 型濾波器。周邊的鋼鐵廠利用夜間谷電生產，大型電弧爐的23 次諧波通過互聯電網惡化了風機轉子側的諧波電壓畸變水平，造成風機濾波電容C1 諧波電流超限，風機安全鏈由此發(fā)出退出運行命令，導致風機夜間運行經常批量脫網。系統(tǒng)示意見圖7，現場測試波形見圖8。

圖7 麗水某風電場電氣接線示意

圖8 風機690 V 轉子側電壓的錄波

6.3 換流站濾波器放大背景諧波

金華、紹興換流站的雙十二脈動換流器特征諧波為11 次、13 次、23 次、25 次，配置濾波器為HP12/24 雙調諧濾波器。濾波器設置2 個調諧點的用途是濾除換流器特征諧波。500 kV 電壓等級除換流站外，不再單獨設無功補償裝置。HP12/24 為大容量無源器件，單個換流站配置容量超過3 500 Mvar。根據HP12/24 電路特性，其在5 次等低頻段呈容性，投入會改變整個電網低頻段諧波阻抗，部分工況下可能造成背景諧波放大[15]?？紤]電網背景諧波、換流器和濾波器的諧波網絡分析模型見圖9。現場試驗可以驗證不同濾波器組數下的500 kV 母線諧波電壓水平，見圖10。

圖9 含換流站濾波器的背景諧波分析

圖10 紹興換流站諧波現場測試

文獻[16]介紹2018 年紹興特高壓換流站檢修期間的現場測試案例中，不同濾波器運行組數情況下換流站500 kV 母線諧波電壓的測量結果差別較大，濾波器全停情況下電網5 次背景諧波僅有約1.4%的水平。部分組數情況下諧波電壓測量結果超標，其中投入6 組雙調諧濾波器時，電網背景諧波放大情況最嚴重，5 次諧波電壓飆升達4.5%，并導致周邊500 kV 電網的5 次諧波指標大面積超標。

6.4 柔性配電網的高頻諧波傳導放大

近年來，MMC 被應用于省內大江東、海寧等柔性配電網示范工程。換流器采用NLM（最近電平調制策略），使換流器端口諧波電壓含量保持在較低水平，從理論分析以及現場測試，通?？烧J為單次諧波不超過1.2%。

另一方面MMC 是富含多種高頻諧波分量的寬頻域變流器，高頻分量指標雖不高但是覆蓋頻率范圍大。換流器通常采用電纜并入城市配電網，如果考慮長距離電纜分布電容的影響，可能導致城市配電網2～150 kHz 的超高次諧波[17-18]傳導放大。

MMC-長電纜-電網的小系統(tǒng)數學模型見圖11。無源孤島等弱電網運行條件下小系統(tǒng)存在高頻諧振點。高頻諧振點主要與電纜分布電容，換流器的橋臂電抗器參數有關。

圖11 柔性配電網的諧波電路

文獻[19]于2018 年測量了江東柔性配電網高頻諧波畸變水平，測試波形見圖12。正常運行情況下示范工程的電能質量水平較好。柔性配電網切換到孤島模式后，系統(tǒng)并網點長征變電站10 kV 母線網側電源斷開，直接由換流器供電，此時10 kV 母線47 次諧波電壓含量驟然升高達7.61%，遠超變流器端口0.82%的水平。現場測試說明，如果使用孤島運行模式，需要技術上避免電網側的高壓電纜頭位置產生高頻諧振。后續(xù)工程改造可考慮電網側增設阻波高通濾波器[20]濾除高頻諧波。

7 結語

本文參照國家以及行業(yè)標準，統(tǒng)計了浙江電網的諧波污染源。

圖12 孤島方式，柔性配電網現場測試波形

（1）浙江經濟發(fā)展迅速，諧波污染源存量和新增數量較大。諧波問題導致浙江電網數次發(fā)生異?；蚴鹿?，需要建立健全諧波污染源入網-監(jiān)測-治理的閉環(huán)管理，力求在工程前期階段同步開展規(guī)劃-設計-治理。

（2）諧波問題的復雜性增加，傳統(tǒng)諧波問題體現為諧波用戶污染電網并網點周邊。但浙江電網運行經驗表明，受設計選型或者參數匹配等影響，諧波存在復雜的放大機制，可能由小問題發(fā)展為電網全局問題；或者遠距離傳播，受影響的變電站或者母線用戶距離污染源地理距離遠。

（3）新型的諧波問題逐步體現，隨著電力電子新技術的發(fā)展，超高次諧波、間諧波等新型諧波問題在運行過程中出現，需要進一步理論分析，并優(yōu)化工程的設計。