電力諧波責任劃分與治理

張淼 國網天津東麗供電公司 劉聰 國網天津檢修公司

一、電力諧波的產生及危害

（一）諧波的產生

電能是現代化社會發展中使用最為廣泛的能源，其影響范圍極廣，既影響電網運行安全，又影響受電端設備的正常使用。通常，電能質量通過電壓質量體現，電能質量的好壞可以通過比較理想電壓與實際電壓的偏差來度量。理想電壓應當是平滑的正弦波（余弦波）且頻率為工頻，但系統中接入的發電機、變壓器及電力電子器件等設備，常產生沖擊波或高次諧波，加之負荷性質的不確定性，常會對電網產生干擾，導致出現了影響電力系統運行、電力設備正常工作和供電安全的諧波問題。在實際系統中，電力諧波往往不是由單一擾動源引發的，而是由電網中的所有擾動源共同疊加的效果。

（二）諧波危害

諧波的產生會造成電網的電能質量變差、影響用電設備，同時干擾周圍的通訊系統，給電網和接入電網的各類負荷帶來惡劣影響，縮短使用壽命、增加能耗，甚至導致用電事故發生，造成人員傷亡。通過實際檢測研究發現，諧波主要危害有波形畸變、影響電網運行、儀器儀表誤動、變壓器使用年限縮短、網絡線損增加、繼電保護裝置誤動作等。

二、電力諧波責任劃分

非線性設備、沖擊性負荷的增多，產生大量非對稱、瞬時波動性且分布極為廣泛的諧波，使電能質量面臨日益嚴峻的考驗。加之我國目前正在運營的堅強智能電網，遠景規劃接入高比例分布式電源，這些會加劇電力系統的高次諧波，導致電能質量問題愈演愈烈。因此，如何有效減輕諧波污染，提高電能質量是當前電網面對的巨大挑戰。針對這個問題，結合我國電網發展水平，特別制定了諧波管理標準，但由于尚無法準確劃分系統和用戶（多方用戶分別作為獨立個體）各自的責任，導致諧波管理存在諸多待解決難題。因此如何劃分提取各方諧波責任，再依次追究相關各方責任，是未來研究的重點。

實際電網中，系統側發電機、變壓器和用戶側接入的非線性、沖擊性負荷都會作為諧波源向公共連接點發射諧波，影響電能質量。通常來講，諧波畸變是由系統側諧波和用戶側諧波疊加產生的，但是并不能直接判斷每個諧波源的貢獻度，首先需要評估并劃分不同諧波源的諧波責任。

在實際量化過程中，一般電網等效為諾頓等效電路，將諧波發射方簡化為“系統側”“用戶側”。通過合理劃分并計算系統及用戶的諧波發射水平，再確定兩方的諧波責任，為后續諧波治理提供可靠依據。電路圖如圖1。

圖1 諧波源貢獻度量化時諾頓等效電路

為有效控制進入電網的諧波量，引用國際上的“獎懲機制”，以避免電能質量糾紛。即明確電能質量合格范圍，若電網側提供的電能質量不佳，用戶應得到賠償；若用戶側產生的諧波污染超出限值，則接受處罰；若用戶主動采取措施降低己方的諧波污染，應進行適當獎勵。這項機制可激勵各方從根本上減小諧波“發射”，積極選取合適的濾波裝置來抑制諧波“排放”，但實現的前提是準確劃分電力系統中各方的諧波責任。

三、諧波貢獻度量化

諧波貢獻度量化的方法分為“干預式”和“非干預式”。“干預式”是主動向公共連接點添加人工擾動，例如注入諧波電流、通斷某支路或啟停某負荷，分別測量添加前后公共連接點諧波數值，再通過計算就可以得到該人工擾動的諧波貢獻度，計算簡單，但不利于電力系統穩定。“非干預式”方法是利用負荷自身的波動，既貼近于系統實際運行，又保證了系統安全運行，多采用該方式。下面就國內外研究現狀，介紹3種諧波貢獻度量化的方法。

（一）基于參考阻抗的方法

基于參考阻抗的方法是以諾頓等效電路為基礎，利用標量疊加方式和電路疊加原理進行計算。采用諧波電流源等效替代的方式表現阻抗的變化。根據設定的各方諧波參考阻抗，構成全新的計及阻抗變化的諾頓等效電路。利用公共連接點的諧波電壓、電流值和諧波參考阻抗列寫回路方程，計算出各方的諧波貢獻。

阻抗的變化就是兩側的實際阻抗與參考阻抗的差值，其對公共連接點諧波畸變的影響可以直觀地體現在公共連接點諧波測量值中，有助于得到更準確的貢獻度量化值。該方法的難點在于合理確定雙方諧波阻抗的參考值。

（二）基于獨立隨機矢量求和的方法

利用“干預式”方法分別獲取用戶開機和停機時段公共連接點對應的某次諧波電壓樣本，它們之間的變化量即該用戶對公共連接點的諧波貢獻度。通過隨機矢量求和的方法計算出用戶諧波發射水平的95%概率值，直觀簡便，有完整的理論性。但該方法的前提是分別采樣得到用戶開機和停機時段公共連接點對應的諧波樣本，具有明顯的弊端，不利于電網穩定運行，同時在某些特殊情況下，完全不具有可行性。

（三）基于實測阻抗的計算

依據諾頓等效電路，可以直接測量公共連接點諧波電壓、電流值，基于實測阻抗的方法是對已知數據的進行分析和處理，以得到諧波阻抗計算值。又因為一般情況下用戶諧波阻抗變化較大，同時在非諧振條件下，用戶側諧波阻抗值理論上遠大于系統側，因此準確計算系統諧波阻抗值是劃分公共連接點各方諧波貢獻度的關鍵。現有的思路主要有：回歸思想、波動量思想、小波分析思想和概率統計思想等。

前文簡單介紹了3種諧波貢獻度量化方法，并講解了各種方法原理及優缺點，經綜合比較，基于實測阻抗計算的方法，應用前景更可觀，具體不再贅述。

四、電力諧波責任劃分的重要意義

本文以電力系統中的諧波問題為出發點，提出諧波責任劃分的概念，用以劃分各諧波源產生成的諧波污染程度，用諧波貢獻度指標加以量化。通過合理劃分諧波責任引起各方重視，督促各方積極整改。

綜合來講，進行諧波責任劃分的具體意義如下：

1.當電網發生由諧波畸變引發的事故時，諧波責任劃分可以作為診斷和量化雙方經濟賠償責任的有效依據，促進諧波治理“獎懲機制”的實施。

2.在諧波責任劃分的過程中能準確獲得系統諧波阻抗和背景諧波的相關信息，一方面可以作為無功補償和諧波抑制的參考，另一方面也可以提前設定用戶側諧波發射水平限值。

3.通過責任劃分，督促用戶主動改進設備、加裝濾波器，積極消除自身諧波對電網的影響，而供電公司（系統側）通過系列措施改進主網電能質量，共同營造綠色智能電網。