企業(yè)級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)諧波計(jì)算面臨的問(wèn)題和解決方案

王名洲

（中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司）

0 引言

近年來(lái)，在企業(yè)級(jí)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(shì)，如采用變頻器驅(qū)動(dòng)的卷?yè)P(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(shí)都會(huì)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(huì)引起各種問(wèn)題，包括設(shè)備過(guò)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(cuò)誤動(dòng)作、對(duì)通信設(shè)備的干擾等，在某些情況下，電路諧振會(huì)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(gè)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(gè)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(lái)越多，這一現(xiàn)象已成為電力系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)主要問(wèn)題。然而，盲目增加濾波設(shè)備會(huì)大幅增加項(xiàng)目投資，增加變電站面積，并會(huì)增加后期操作人員使用及維護(hù)難度，因此，精確地計(jì)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(jì)算的主要問(wèn)題

目前，對(duì)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(lái)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(jì)時(shí)一般采用加大保險(xiǎn)系數(shù)來(lái)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(shí)，由于濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)經(jīng)常發(fā)生斷電、跳閘等問(wèn)題，影響正常生產(chǎn)，嚴(yán)重的還會(huì)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(huì)很嚴(yán)重。

諧波影響的計(jì)算和分析是進(jìn)行濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。現(xiàn)有的ETAP軟件（美國(guó)OTI公司研發(fā)的電氣系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件）廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目中的電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，其諧波計(jì)算方法符合國(guó)際 IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)。但是，在項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，系統(tǒng)的諧波分析計(jì)算需要根據(jù)各個(gè)應(yīng)用設(shè)備手動(dòng)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(shí)也需要手動(dòng)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(jì)人員往往較難完成，而利用典型數(shù)據(jù)庫(kù)往往造成計(jì)算結(jié)果偏離，無(wú)法用來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)濾波系統(tǒng)和達(dá)到預(yù)期效果。

以美國(guó)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(dòng)機(jī)，會(huì)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(duì)系統(tǒng)的諧波含量進(jìn)行估算，并按照估算結(jié)果設(shè)計(jì)濾波系統(tǒng)，則需要采購(gòu)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(jì)理念。因此，設(shè)計(jì)《沙特磷礦項(xiàng)目》電源濾波系統(tǒng)時(shí)，在 ETAP軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)展了諧波計(jì)算研究。

2 諧波計(jì)算軟件研究

2.1 研究?jī)?nèi)容

主要開(kāi)展三方面研究：一是建立電氣 ACCESS（Microsoft關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)各種電氣設(shè)備基本數(shù)據(jù)，包含諧波數(shù)據(jù)；二是開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口；三是利用 VBA（Visual Basic for Applications語(yǔ)言）對(duì)ETAP計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分析，生成諧波分析報(bào)告。

首先，利用ACCESS建立諧波數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。

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(jì)算。

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

2.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

諧波計(jì)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(jì)算軟件功能模塊與邏輯關(guān)系

在研究過(guò)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(duì)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(gè)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(kāi)發(fā)的諧波計(jì)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(dòng)機(jī)參數(shù)導(dǎo)入功能、動(dòng)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(jì)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(jì)算、電氣系統(tǒng)并聯(lián)諧振情況檢查、標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)、定制報(bào)告生成、結(jié)果波形繪圖。軟件主要邏輯關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 諧波計(jì)算軟件邏輯關(guān)系圖

3 諧波計(jì)算軟件特點(diǎn)

該軟件的計(jì)算過(guò)程可以滿足IEC和IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于諧波分析的不同計(jì)算要求，既可以計(jì)算諧波電壓畸變率，也可以計(jì)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(jì)算。利用計(jì)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(wú)源濾波設(shè)備等。該電網(wǎng)諧波計(jì)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(guó)內(nèi)外同類諧波計(jì)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(jì)算應(yīng)用是根據(jù)各個(gè)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(jì)算結(jié)果。

二是從過(guò)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(jì)算方法計(jì)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(jì)算方法計(jì)算總、支路電流諧波畸變率，從而根據(jù)各個(gè)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(jì)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?tīng)柗ㄟM(jìn)行潮流迭代計(jì)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(jì)階段，可調(diào)用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算和分析，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)計(jì)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(jì)是否合理，可以通過(guò)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(jì)。

在設(shè)備采購(gòu)階段，可以在項(xiàng)目初期調(diào)用歷史相似數(shù)據(jù)庫(kù)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。可以錄入已完成項(xiàng)目的諧波數(shù)據(jù)等信息，形成歷史資料庫(kù)，以便提前確定長(zhǎng)周期供貨的電氣設(shè)備，如長(zhǎng)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(jì)算軟件可以有效提升電氣建模、計(jì)算的速度，具有自動(dòng)計(jì)算、分析及比對(duì)功能；可以分析諧波電壓、諧波電流對(duì)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(jì)算；可以產(chǎn)生各種圖形信息，方便插入計(jì)算報(bào)告中，使報(bào)告更加形象、生動(dòng)。

3.4 可拓展性

此項(xiàng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)及使用方法可拓展到電氣專業(yè)的其他計(jì)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(jì)算的形式進(jìn)行更加準(zhǔn)確的負(fù)荷計(jì)算，為設(shè)備選型給出快速、準(zhǔn)確的依據(jù)。可使用軟件將電動(dòng)機(jī)、電纜相關(guān)信息導(dǎo)入 ETAP模型中，從而在初步設(shè)計(jì)階段就能夠較為準(zhǔn)確地判斷大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)狀況，以及對(duì)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(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)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(jì)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(wàn)元人民幣。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，諧波計(jì)算和治理方案得到用戶肯定。