超高次諧波對(duì)配用電系統(tǒng)的影響

文_袁紅斌 國(guó)網(wǎng)白城供電公司

隨著大量分布式能源的高密度接入以及柔性輸電技術(shù)的運(yùn)用，配電網(wǎng)呈現(xiàn)出“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”緊密耦合特性；同時(shí)，高度電力電子化與強(qiáng)非線性特性使電網(wǎng)中的電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象與交互影響機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，配電網(wǎng)側(cè)2～150kHz的超高次諧波含量不斷增加。而在配電網(wǎng)中，超高次諧波的存在會(huì)造成電能表錯(cuò)誤，保護(hù)裝置誤動(dòng)作，電力線載波通信不能正常工作以及日光燈發(fā)生閃爍，因此很有必要研究超高次諧波對(duì)其他設(shè)備造成影響的原因。本文開(kāi)展超高次諧波對(duì)不同類型設(shè)備及配電網(wǎng)運(yùn)行影響機(jī)理研究，通過(guò)不同設(shè)備的影響機(jī)理，分析超高次諧波造成設(shè)備故障等問(wèn)題的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

1 超高次諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響

頻率特性曲線能夠表征超高次諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響情況，由于曲線較為平坦，可近似認(rèn)為未發(fā)生衰減，這也表明電能表具有較寬的頻率響應(yīng)范圍，因此在理想情況下，電能表基本上能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)量諧波功率，同時(shí)受頻率增高的影響較小。由于電能表能夠準(zhǔn)確計(jì)量負(fù)載發(fā)出和消耗的諧波功率，而諧波功率的正負(fù)對(duì)于線性用戶和非線性用戶不同，因此當(dāng)用其計(jì)量電能時(shí)，線性用戶會(huì)被多計(jì)量電能，而非線性用戶不但污染了電網(wǎng)而且還被少計(jì)量了電能，顯然存在不合理性。但由于電能表對(duì)諧波的準(zhǔn)確計(jì)量，則在相同條件下，電能表能夠計(jì)量更多的諧波功率。

2 超高次諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響

目前超高次諧波問(wèn)題有干擾保護(hù)動(dòng)作的問(wèn)題，其中在縱連保護(hù)中，應(yīng)用了高頻載波信號(hào)，此種頻率的載波與超高次諧波的頻率較為接近，容易對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾。

2.1 載波保護(hù)（高頻保護(hù)）

由于輸電線載波通道是直接通過(guò)高壓輸電線路傳送高頻載波電流的，因此高壓輸電線路上的干擾直接進(jìn)人載波通道，高壓輸電線路的電暈、短路、開(kāi)關(guān)操作、超高頻諧波等都會(huì)在不同程度上對(duì)載波通信造成干擾。另外，由于高頻載波的通信速率低，難于滿足縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)時(shí)性的要求，一般用來(lái)傳遞狀態(tài)信號(hào)，用于構(gòu)成方向比較式縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)電流相位差動(dòng)保護(hù)。通道傳輸?shù)男盘?hào)頻率范圍一般為50～400kHz，超高次諧波頻率范圍為2～150kHz，兩者存在重疊頻段，因此考慮超高次諧波會(huì)對(duì)高頻保護(hù)產(chǎn)生干擾，造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2.2 方向比較式縱聯(lián)保護(hù)

利用非故障線路一端的閉鎖信號(hào)，閉鎖非故障線路不跳閘，而對(duì)于故障線路跳閘，則不需要閉鎖信號(hào)，因此在區(qū)內(nèi)故障伴隨有通道破壞(例如通道相接地或斷線)時(shí)，兩端保護(hù)仍能可靠跳閘，整定時(shí)間一般為4～16ms。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響：區(qū)外故障時(shí)，因抵消高頻信號(hào)造成誤動(dòng)；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，因存在諧波造成拒動(dòng)。

2.3 縱聯(lián)電流相位差動(dòng)保護(hù)

僅利用輸電線路兩端電流相位在區(qū)外短路時(shí)相差180°、區(qū)內(nèi)短路時(shí)相差為0°，也可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外短路，高頻信號(hào)的連續(xù)和間斷反應(yīng)了兩端電流的相位比較結(jié)果。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響：區(qū)外故障時(shí)因抵消高頻信號(hào)造成誤動(dòng)；區(qū)內(nèi)故障時(shí)因存在諧波造成拒動(dòng)。

3 超高次諧波對(duì)電力線載波通信的影響

超高次諧波對(duì)通信系統(tǒng)有很大的影響，然而徐文遠(yuǎn)教授指出，超高次諧波從發(fā)射源位置行進(jìn)到主要配電網(wǎng)時(shí)，幅值會(huì)明顯衰減，并且家用電器或其他低壓設(shè)備的前端濾波器可以通過(guò)分流濾波進(jìn)一步減少高頻諧波，由于這兩個(gè)因素，這些失真不太可能降低電力線通信的可靠性。同樣，對(duì)于巴西太陽(yáng)能發(fā)電廠光伏逆變器產(chǎn)生的高頻諧波失真，其高頻諧波電流畸變可能達(dá)到基頻電流的2%，而高頻諧波電壓仍然低于基頻電壓的0.2%，該結(jié)果表明特定光伏逆變器發(fā)出的高頻諧波失真不太可能對(duì)公用事業(yè)造成重大影響。

由于電網(wǎng)中電力電子化電氣設(shè)備的不斷增多，產(chǎn)生了越來(lái)越多的超高次諧波發(fā)射，超高次諧波在傳播過(guò)程中是否被有效濾除，是電力載波通信能否正常傳輸信息的關(guān)鍵。

4 超高次諧波對(duì)其他設(shè)備的影響

4.1 超高次諧波對(duì)永磁電機(jī)的影響

由變流器輸出超高次諧波會(huì)引起永磁電機(jī)的附加損耗，該損耗情況主要受制于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、變流器載波頻率、變流器調(diào)制比等因素影響。相關(guān)研究結(jié)論普遍表明：采用較高頻率的載波以及較大的調(diào)制比可以有效減小發(fā)電機(jī)損耗。進(jìn)一步整理分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載波頻率或調(diào)制比低于某一值時(shí)，增大載波頻率或調(diào)制比能有效減小發(fā)電機(jī)損耗；高于該值繼續(xù)增大參數(shù)，損耗的下降較為平緩，減弱效果不明顯。因此，可依據(jù)損耗平緩變化段進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、超高次諧波影響的量化評(píng)估、抑制策略的制定等工作，就文獻(xiàn)中永磁發(fā)電機(jī)而言，可以以3kHz載波，0.7調(diào)制比情況下的發(fā)電機(jī)損耗(約為額定功率3%)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)超高次諧波影響進(jìn)行評(píng)估。

4.2 超高次諧波在牽引機(jī)車系統(tǒng)中的影響

高速鐵路牽引機(jī)車上普遍采用交-直-交變頻方式，由于其中電力電子器件和高次脈沖整流方式的廣泛使用，諧波中的高頻成分問(wèn)題變得更加突出，該高頻諧波成分可能引起電纜終端局部發(fā)熱比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電纜終端絕緣受到破壞，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，牽引機(jī)車電纜終端老化程度將會(huì)進(jìn)一步加重，有可能導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備絕緣損壞，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。某牽引機(jī)車過(guò)分相運(yùn)行一段時(shí)間后，電纜終端應(yīng)力控制管處發(fā)生爆炸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析，該現(xiàn)象可能是由于牽引機(jī)車過(guò)分相后產(chǎn)生的高頻諧波引起電纜終端發(fā)熱，從而導(dǎo)致絕緣擊穿。相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)3kHz、5kHz、7kHz等頻率的超高次諧波引起的電纜終端溫度及阻性發(fā)熱功率密度進(jìn)行分析，表明超高次諧波頻率的增加會(huì)導(dǎo)致材介電性能的降低，引起終端電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，同時(shí)引起系統(tǒng)表面溫度升高，并出現(xiàn)明顯熱點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)加裝高頻濾波裝置以延長(zhǎng)其電氣設(shè)備的使用壽命。

5 超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)

超高次諧波對(duì)于配電網(wǎng)的影響應(yīng)引起足夠重視，有必要預(yù)測(cè)超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)的影響趨勢(shì)，以提出應(yīng)對(duì)之策。對(duì)超高次諧波的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，應(yīng)從源頭開(kāi)始，并對(duì)超高次諧波源的未來(lái)市場(chǎng)及應(yīng)用進(jìn)行分析，從而得到超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

伴隨電力電子技術(shù)的發(fā)展、半導(dǎo)體器件的革新以及人類可持續(xù)發(fā)展的需要，光伏發(fā)電、風(fēng)電正快速走向大規(guī)模普及，未來(lái)是清潔能源的時(shí)代。大量光伏逆變器的投入以及各種開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用，使電網(wǎng)中混雜的超高次諧波迅速增加。同時(shí)，作為“新基建”的重要內(nèi)容，充換電行業(yè)亦掀起新的熱潮，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從根本上取決于電動(dòng)汽車的規(guī)模化發(fā)展，但距離車樁比1：1還有較大差距，充電樁仍存在缺口，充電設(shè)備單元等大型設(shè)備的制造商往往使用有源功率因數(shù)校正器或者PWM整流器等開(kāi)關(guān)型電力電子設(shè)備，來(lái)滿足限值要求和提高設(shè)備的效率，這些技術(shù)會(huì)導(dǎo)致2～150kHz頻率范圍內(nèi)的諧波發(fā)射?？梢?jiàn)隨著接入電網(wǎng)中的電動(dòng)汽車充電樁數(shù)量的增加，若無(wú)相關(guān)諧波抑制措施，電網(wǎng)中的超高次諧波含量越來(lái)越大。此外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，功率變換器朝著高頻化的方向發(fā)展，輸出諧波頻次越來(lái)越高，諧波污染情況不可忽視。

未來(lái)分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等廣泛布置在配電網(wǎng)中，這些設(shè)備均采用電力電子變換器與電網(wǎng)連接，以及變頻器、低壓FACTS等具有諧波源特征裝置的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)未來(lái)必然增加更多的超高次諧波，若不加以抑制，采取一定緩解措施，電網(wǎng)中的超高次諧波水平將隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而持續(xù)走高，對(duì)配電網(wǎng)的影響會(huì)愈加嚴(yán)重。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著光伏逆變器、電動(dòng)汽車等超高頻次諧波源越來(lái)越多接入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)中超高次諧波問(wèn)題越來(lái)越突出，主要體現(xiàn)在電力載波通信故障方面，為此本文通過(guò)超高次諧波對(duì)典型設(shè)備的影響研究，量化了超高次諧波對(duì)電力線載波通信以及計(jì)量裝置的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對(duì)配電網(wǎng)影響的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，能夠?yàn)槌叽沃C波的限值設(shè)定與防治技術(shù)提供參考。