電力諧波在配電網中的危害和無功優化設計

國網丹東供電公司 張春華 張建輝 董秀峰 張孝強 關長清

電力諧波在配電網中的危害和無功優化設計

國網丹東供電公司 張春華 張建輝 董秀峰 張孝強 關長清

本文提出了諧波畸變情況下對配電網進行無功優化設計采用有源濾波器+智能化混合補償裝置，結合我國配電網實際,積極研發設計應用智能化混合補償技術,能使系統網損和諧波畸變率均得到改善，對于推動配電網的技術革命具有較好的借鑒意義。

智能配電網；電力諧波；無功優化；智能化混合補償

0 引言

智能配電網與傳統的配電網相比,具有以下功能特征：

從功能特征上講,智能電網在系統安全性、供電可靠性、電能質量、運行效率、資產管理等方面較傳統電網有著實質性的提高;支持各種分布式發電與儲能設備的即插即用;支持與用戶之間的互動。

從技術組成方面講,智能電網是集計算機、通信、信號傳感、自動控制、電力電子、超導材料等領域新技術、新設備在輸配電系統中應用的總和。這些新技術、新設備的應用不是孤立的、單方面的,不是對傳統輸配電系統進行簡單地改進、提高,而是從提高電網整體性能、節省總體成本出發,將各種新技術、新設備與傳統的輸配電技術進行有機地融合,使電網的結構以及保護與運行控制方式發生革命性的變化。

而智能配電網所有這些的實現離不開電能質量的安全因數，現如今電力電子技術必然繼續蓬勃發展，大量非線性時變負荷的增加，使注入電網的諧波分量增多，致使系統中電壓、電流波形發生畸變，造成電力系統的“諧波污染”[1]，尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象，配電網諧波污染必然更加嚴重。諧波不僅降低電能的生產、傳輸和利用的效率，而且給用電設備的正常運行帶來嚴重的危險。對于電力系統，諧波會放大系統局部并聯諧振或串聯諧振現象，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，導致區域性停電事故，使電能計量出現混亂。對于電氣設備，諧波可以使電氣設備產生振動和噪音，還可以產生過熱現象，促使絕緣老化，縮短設備使用壽命[2]，甚至發生故障或燒毀。諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重的干擾，電力系統產生的諧波與普通電話線路傳輸的音頻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。

所有這些嚴重阻礙了智能配電網的發展，諧波抑制將更加被人們重視，如何會獲得更好的電能，根據目前配電網自動化發展的現狀，結合國內外配電網自動化的技術經驗和智能電網配網的要求，提出了在配網無功優化設計中應用有源濾波器+智能化混合補償裝置的設計方式來解決上述問題，使系統網損和諧波畸變率均得到改善，提高了配網的用電質量[3]。

圖1 功率因數補償后

1 有源濾波器的主要技術原理及功能

1.1 概述

當正弦波電壓施加在非線性負載上時，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網阻抗上產生壓降，就會使電壓波形也變為非正弦波。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]。

隨著電力電子技術的廣泛應用，如今負載大部分是非線性負載，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備、變頻器、電弧爐等，以及照明電器、娛樂設施、UPS、電腦、電梯、空調、復印機等等，這些非線性負載會產生大量的諧波電流并注入到電網中，使電網電壓產生畸變，這種“諧波污染”[1]會對配電網和用戶帶來越來越多的影響和危害。,

有源濾波器（DEAPF）經過創新反復論證和實驗，用于治理電網諧波污染，改善電能質量，從而保證供電可靠性、降低干擾、增長設備壽命、減少設備損壞，作用顯著。具有響應速度快，具備連續補償和動態跟蹤補償能力，諧波濾除率高，與無源濾波器相比不會與電網發生諧振而且還能有效抑制電網本身的諧振，同時根據設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化為處理器中的數字信號。同時，數字信號處理器（DPS）產生一系列寬頻脈沖調制信號，驅動IGBT功率模塊通過線路電抗器(XL)向電網輸出相位正好與電網諧波電流相反而大小相等的電流注入到電網中，而兩種諧波電流正好相互抵消，從而達到濾除諧波，凈化配網電流的目的。治理諧波的原理是根據文[3]的相關標準建立的.

1.3 技術特點

有源濾波器可高效濾除2～60次的各次諧波，80μs響應負荷變化，20ms實現安全跟蹤補償。改善系統不平衡，可完全消除因諧波引起的系統不平衡。抑制電網諧振，不與電網發生諧振并可以有效抑制電網自身的諧振。基于瞬時功率理論和RDFT技術自主創新的先進控制技術。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，可以多機并聯運行便于擴展容量。通訊功能，可應用GPRS或光纖通訊，擴展為遠程監測甚至遠程控制，有助于配網自動化的實現。充分考慮運行經濟性，可在負荷較輕時自動退出運行。

圖4 功率因數補償前

圖5 功率因數補償后

2 智能化混合補償主要技術原理及功能

2.1 概述

傳統的無功補償設備如晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管控制投切電抗器（TCR）等，其響應時間慢，分級投切，有補償死區，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，目前應用范圍依舊很廣。最先進的無功補償設備——靜止無功發生器（SVG），其響應速度快，補償線性化，無補償死區，受系統諧波影響小，具備分相補償能力，不受系統阻抗變化影響，補償效果好，但是由于其價格相對傳統無功補償較貴，目前大范圍使用較為困難，主要使用在沖擊性負荷、變化較快的負荷、電網環境較差的場合進行使用。但隨著智能配網自動化的實現，它將逐步取代傳統的無功補償設備，登上歷史的舞臺。

2.2 技術原理及功能

結合TSC無功補償裝置和靜止無功發生裝置的優點進行組合，采用靜止無功發生器（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，真正的動態無功濾波補償設備采用帶有控制功能的SVG模塊，來控制動態無功補償模塊（TSC）的投切，從而達到補償系統的無功功率兼諧波治理，模塊可實現平滑線性補償,補償的原理是根據文[5]的相關標準建立的 。同時可抵制系統一定容量的諧波，使補償設備補償無死區，該設備可全部實現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信息，整機動態響應時間小于10ms。通過TSC作為主要無功補償設備，SVG作為精確調整的核心設備，達到和全部采用SVG的無功補償設備性能一致。價格對用戶來說，采購的價格要高于動態無功補償，但是要遠遠低于全部采用靜止無功發生器的情況，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品。這個可以作為以后設計中的首選。

設計智能化混合補償裝置時，一定要注意選擇SVG和TSC時，一定要采用統一控制，不要出現TSC部分采用無功補償控制器控制無功補償設備的投入，而SVG部分又通過測控板來進行靜止無功發生器的投入，這樣會出現搶投、誤投等情況。

在智能化混合補償裝置的基礎上，結合自己在設計各種用戶的實際情況。在辦公樓、商業中心、數據中心及醫院等場合，其無功功率因數基本在0.8以上，可是其諧波含量都已經超過了國家的相關標準及要求，那我們要采用什么樣的設備呢?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，有源濾波器設計時要求2種方式控制，一是根據無功功率的變化進行投入；二是根據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為一商業綜合中心的配電系統的測試數據，采用有源濾波器+智慧型混合補償裝置對補償前后的系統數據做了對比，效果明顯。

設備投入后，系統諧波電流畸變率由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0.78，設備投入后功率因數補償至0.99，效果明顯。

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

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電路可能會發生的并聯諧振而引起的燒毀，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；

（3）減少控制設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，相當于對系統進行了一次擴容，減少了系統在擴容方面的投入；

（7）為精密設備穩定正常工作提供保證。

4 結論

伴隨著智能電網在中國大地上生根發芽，配電網也與時俱進的迎來了數字化革命時代，帶來了先進的智能電網配電系統，體現在先進的通訊技術、人工智能技術和高端的系統控制技術。而傳統的配網設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定，功能齊全的智能配網智能化混合補償裝置與之協調工作，智能化混合補償裝置就是為配網數字化革命而設計的，無論從設計理念還是控制思想都體現了與智能配網的高度配合，充分發揮了智能配網的技術優勢，實現智能配電網設備功能完善化，技術智能化，通信集成化、結構模塊化、設計標準化等特點。

[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.電能質量——公用電網諧波[S]

[4]GB/T15543-1995.電能質量——三相電壓允許不平衡度[S]

[5]GB50227-1995并聯電容器裝置設計規范[S]