住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的諧波及治理

黃冰心

(南安市電力有限責(zé)任公司，福建南安 362300)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的不斷提高，日常生活中人們使用的電氣、電子設(shè)備越來越多，這些設(shè)備和裝置的使用一方面對公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量(power quality)要求越來越高，要求“綠色”、“干凈”的電能;另一方面很多電氣和電子設(shè)備對于電網(wǎng)而言是非線性負(fù)載，電網(wǎng)中大量非線性負(fù)載的接入降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，使電網(wǎng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，影響供電質(zhì)量。目前，建筑供用電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波已經(jīng)成為城市公共電網(wǎng)的主要諧波污染源。

近年來，工業(yè)供電方面的電能質(zhì)量問題已得到大量關(guān)注，各種諧波抑制措施和其他提高供電質(zhì)量的措施被廣泛應(yīng)用。隨著住宅小區(qū)公用電網(wǎng)中非線性負(fù)載使用數(shù)量的增加，住宅小區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題也開始被重視。

在對住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的諧波污染源進行了分析和討論的基礎(chǔ)上，總結(jié)了住宅小區(qū)諧波電流分布情況及由諧波引起的危害，最后給出了常用的諧波治理方法。

1 住宅小區(qū)電網(wǎng)的典型諧波源及諧波電流特點

住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的負(fù)荷主要是各種家用電器，如電視機、各種節(jié)能燈、電冰箱、洗衣機、微波爐、電磁爐、計算機、激光打印機、充電器以及高層建筑中的空調(diào)用壓縮機、大型電梯等，這些電器中都含有非線性元件，當(dāng)這些非線性元件接入電網(wǎng)中時，會在線路中產(chǎn)生諧波電流，從而引起電壓波形畸變，影響電能質(zhì)量。所以，人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫母鞣N家用電器對于電網(wǎng)而言都是諧波源。

住宅小區(qū)公用電網(wǎng)諧波電流分布情況有以下特點。

(1)主要是奇次諧波電流，其中以低次3次、5次和7次諧波電流為主。

(2)住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的非線性負(fù)荷具有基波功率因數(shù)高、含諧波功率因數(shù)低的特點，如家用計算機的基波功率因數(shù)可達(dá)0.9，但是含諧波后功率因數(shù)只有 0.5 ～0.6。

(3)住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的非線性負(fù)荷具有單個負(fù)荷用電容量小，但同時集中使用的概率大，導(dǎo)致電網(wǎng)總負(fù)荷量大，諧波電流疊加。所以，在晚間的用電高峰時期，諧波含量最高，白天處于低谷，諧波含量最低，也就是說公用電網(wǎng)中諧波電流每日波動較大。

(4)隨著住宅小區(qū)用電負(fù)荷的季節(jié)性波動，諧波大小也隨之變化，夏、冬季節(jié)用電負(fù)荷大，諧波含量高，春、秋季節(jié)負(fù)荷小，諧波含量也低。

近年來，建筑供用電系統(tǒng)的諧波日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為城市公共電網(wǎng)的主要諧波源。日本有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，電網(wǎng)諧波有40%來自于建筑用電系統(tǒng)。英國曾就諧波電流、對地泄露電流和電壓擾動造成的計算機停機問題進行了統(tǒng)計，他們隨機對45家公共事業(yè)、商業(yè)和工業(yè)用戶進行了調(diào)查，結(jié)果表明諧波電流造成的公用電網(wǎng)內(nèi)的停機事故頻率最高，上述三類用戶每年的事故報告在12次以上的超過60%，每年至少一次事故的報告為80%以上。在國內(nèi)，蘇州供電公司對蘇州工業(yè)園區(qū)的蘇都花園2號配電所在2008年6月23日21:00晚居民用電高峰時段對電網(wǎng)諧波進行了測試，測試數(shù)據(jù)表明電網(wǎng)中含有大量的諧波電流，主要為3次、5次、7次和9次，其畸變率分別為19.5%、13.7%、6.7% 和 6.6%，電流總畸變率平均值達(dá)到25%，最高達(dá)30%。

以上的數(shù)據(jù)和分析表明，住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的諧波污染已經(jīng)非常嚴(yán)重，到了不得不治理的程度。

2 住宅小區(qū)電網(wǎng)諧波的危害

諧波污染是電網(wǎng)公害，諧波電壓和電流在電網(wǎng)中的存在，將對電網(wǎng)本身以及由該電網(wǎng)供電的用戶都造成很大影響。諧波的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)使輸電線路損耗增加，傳輸效率降低;當(dāng)與電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)配合不恰當(dāng)時，可能引起諧波電流的諧振和放大，將產(chǎn)生更大的損耗。

(2)諧波電壓可使電力變壓器的磁滯損耗和渦流損耗增加，變壓器內(nèi)的絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大;諧波電流使變壓器損耗增加，諧波較大時可能使變壓器局部過熱、噪聲增大，從而影響電網(wǎng)和供電一次設(shè)備的安全運行。

(3)引起系統(tǒng)各類繼電保護和自動裝置誤動作或拒動作。

(4)對系統(tǒng)計量儀表產(chǎn)生影響，造成電能計量的誤差。諧波的存在，一方面增加了電度表本身的誤差;另一方面，諧波源負(fù)荷從系統(tǒng)中吸收基波功率，向系統(tǒng)送出諧波功率，而受害的用戶既從系統(tǒng)中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負(fù)荷用戶少付電費，而受害的用戶多付電費，造成不公平交易。

(5)住宅小區(qū)電網(wǎng)中大量的三次和三的倍數(shù)次諧波電流流過中性線，使中性線流過的電流大大增加，甚至可能超過相線的電流。如建筑電氣線路設(shè)計時選用的中性線截面較小，則會使中性線嚴(yán)重過載而發(fā)熱增加，嚴(yán)重時絕緣損壞，引起短路和火災(zāi)。

(6)諧波會產(chǎn)生電磁干擾，影響通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

3 住宅小區(qū)公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)

對于諧波電壓，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，380 V電網(wǎng)諧波電壓總畸變率不得大于5%，其中奇次諧波電壓含有率小于4%，偶次諧波電壓含有率小于2%。

對于用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值的大小與電網(wǎng)容量和諧波電壓標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，分配給用戶的諧波電流允許值應(yīng)保證滿足各級電網(wǎng)公共連接點處諧波電壓在允許值范圍內(nèi)。而影響各級電網(wǎng)諧波電壓的主要因素有:本級諧波源負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波;上級電網(wǎng)諧波電壓對本級的傳遞(即滲透);各諧波源同次諧波的相量合成。

關(guān)于諧波電流允許值可以采用以下的方法進行計算。

對于380 V系統(tǒng)，給定基準(zhǔn)短路容量為10 MVA，在已知電網(wǎng)的第h次諧波電壓含有率以后，可得到電網(wǎng)中第h次諧波電流允許值的大小為

其中，Ih為電網(wǎng)第h次諧波電流允許值;Sk為基準(zhǔn)短路容量;HRUH為第h次諧波電壓含有率允許值;UN為額定電壓;h為諧波次數(shù)。

對某一個用戶來說，其諧波電流允許值為

Si為第i個用戶的協(xié)議用電能量;St為公共連接點的供電設(shè)備(或線路)容量;α為相位系數(shù)，按表1的數(shù)據(jù)取值。

表1 相位系數(shù)取值表

當(dāng)公共連接點的短路容量為S'k，與基準(zhǔn)短路容量Sk不相同時，諧波電流允許值Ih按式(3)計算。

4 常用的諧波治理措施

諧波治理的基本思路有兩種:一種是主動型諧波治理，這種方式是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，從根本上解決諧波問題，但它僅適用于作為諧波源的電力電子裝置;另一種是被動型諧波治理，在系統(tǒng)中諧波已經(jīng)存在時采用這種方式，即在系統(tǒng)中裝設(shè)單獨的諧波補償裝置來進行諧波治理，所以這種方式可適用于各種情況。

4.1 主動型諧波治理措施

對于主動型諧波治理方式，目前主要采用的方法有以下幾種。

(1)改進電力電子裝置主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如采用由新型全控型器件IGBT等構(gòu)成的PWM整流電路取代傳統(tǒng)的由晶閘管作為主控元件的相控整流電路。

(2)對于整流電路，增加整流相數(shù)，如采用十二脈波整流電路、十八脈波整流電路等。

(3)限制變流裝置的容量。

(4)在電力電子裝置中采用各種先進智能控制技術(shù)等，現(xiàn)代控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力電子裝置中，如無差拍控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模控制等。

值得注意的是，以上這些措施雖然可以有效地減少電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波含量，但由于它們的非線性，諧波不可能全部消除，所以電力電子裝置中諧波總是存在的。

4.2 被動型諧波治理措施

對于被動型諧波治理方式，常用的方法是安裝無源電力濾波器(passive power filter)和有源電力濾波器(active power filter)。

無源電力濾波器的基本工作原理是:濾波器由電感、電容和電阻組成，它為系統(tǒng)中的諧波電流提供一條低阻抗通道，即濾波器對于諧波電流阻抗接近為零，使諧波電流通過濾波器流出，而不流入電網(wǎng)。只要合理設(shè)置濾波器中電感和電容的參數(shù)，使濾波器的諧振次數(shù)為所需要濾除的諧波次數(shù)，則該次諧波通過濾波器時被濾除，系統(tǒng)中該次諧波被消除。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、設(shè)備投資較少、運行可靠性較高、維護方便、運行費用較低等特點，得到了廣泛應(yīng)用。但是其補償頻帶窄，僅能消除特定的幾次諧波，甚至在與系統(tǒng)參數(shù)不匹配時可能發(fā)生諧振而導(dǎo)致某些次數(shù)的諧波放大，補償特性易受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響。此外，在大容量的情況下無源濾波器的濾波裝置笨重，體積大，損耗多。由于無源濾波器的以上缺點，近年來性能更加優(yōu)越的有源電力濾波器開始被重視而得到廣泛關(guān)注。

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它的基本工作原理是:濾波器檢測電網(wǎng)諧波電流，根據(jù)諧波電流情況，濾波器產(chǎn)生一個大小與諧波電流相同、相位與諧波電流相反的補償電流，與電網(wǎng)中的諧波電流疊加，使疊加后的電網(wǎng)電流只有基波分量。有源電力濾波器克服了無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制裝置的缺點，能對頻率和幅值都變化的諧波及無功進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，也很難和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，已成為目前抑制電網(wǎng)諧波最有效的手段。

只是由于目前中國有源電力濾波器價格相對還比較高，而且人們對諧波危害的認(rèn)識程度還不夠，諧波治理問題還沒有得到足夠高的重視，使得有源濾波器的應(yīng)用在中國還相對較少。而在日本及歐美國家，有源濾波器的使用已經(jīng)非常廣泛。

為了解決大容量有源濾波器價格太高問題，同時考慮濾波器在對系統(tǒng)進行諧波抑制時能對系統(tǒng)進行無功補償，目前建筑電氣系統(tǒng)中也常采用無源濾波器+有源濾波器的混合補償方式，可以同時補償無功和抑制諧波，得到更好的補償效果。

5 結(jié)語

對住宅小區(qū)公用電網(wǎng)的諧波情況及諧波抑制方法進行了討論，提出了防范和治理諧波的措施，以減小諧波對小區(qū)電網(wǎng)的影響。建筑系統(tǒng)的諧波治理已經(jīng)成為不得不重視的問題，減小系統(tǒng)諧波，可以提高電網(wǎng)供電質(zhì)量，降低系統(tǒng)損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。