超高次諧波對配用電系統的影響

文_袁紅斌 國網白城供電公司

隨著大量分布式能源的高密度接入以及柔性輸電技術的運用，配電網呈現出“源-網-荷-儲”緊密耦合特性；同時，高度電力電子化與強非線性特性使電網中的電能質量擾動現象與交互影響機理錯綜復雜，配電網側2～150kHz的超高次諧波含量不斷增加。而在配電網中，超高次諧波的存在會造成電能表錯誤，保護裝置誤動作，電力線載波通信不能正常工作以及日光燈發生閃爍，因此很有必要研究超高次諧波對其他設備造成影響的原因。本文開展超高次諧波對不同類型設備及配電網運行影響機理研究，通過不同設備的影響機理，分析超高次諧波造成設備故障等問題的原因，并在此基礎上進行了超高次諧波對配電網影響的趨勢預測。

1 超高次諧波對電能表計量的影響

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

2 超高次諧波對繼電保護的影響

目前超高次諧波問題有干擾保護動作的問題，其中在縱連保護中，應用了高頻載波信號，此種頻率的載波與超高次諧波的頻率較為接近，容易對保護裝置產生干擾。

2.1 載波保護（高頻保護）

由于輸電線載波通道是直接通過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人載波通道，高壓輸電線路的電暈、短路、開關操作、超高頻諧波等都會在不同程度上對載波通信造成干擾。另外，由于高頻載波的通信速率低，難于滿足縱聯電流差動保護實時性的要求，一般用來傳遞狀態信號，用于構成方向比較式縱聯保護和縱聯電流相位差動保護。通道傳輸的信號頻率范圍一般為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對高頻保護產生干擾，造成保護誤動或拒動。

2.2 方向比較式縱聯保護

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

2.3 縱聯電流相位差動保護

僅利用輸電線路兩端電流相位在區外短路時相差180°、區內短路時相差為0°，也可以區分區內、外短路，高頻信號的連續和間斷反應了兩端電流的相位比較結果。超高次諧波可能出現的影響：區外故障時因抵消高頻信號造成誤動；區內故障時因存在諧波造成拒動。

3 超高次諧波對電力線載波通信的影響

超高次諧波對通信系統有很大的影響，然而徐文遠教授指出，超高次諧波從發射源位置行進到主要配電網時，幅值會明顯衰減，并且家用電器或其他低壓設備的前端濾波器可以通過分流濾波進一步減少高頻諧波，由于這兩個因素，這些失真不太可能降低電力線通信的可靠性。同樣，對于巴西太陽能發電廠光伏逆變器產生的高頻諧波失真，其高頻諧波電流畸變可能達到基頻電流的2%，而高頻諧波電壓仍然低于基頻電壓的0.2%，該結果表明特定光伏逆變器發出的高頻諧波失真不太可能對公用事業造成重大影響。

由于電網中電力電子化電氣設備的不斷增多，產生了越來越多的超高次諧波發射，超高次諧波在傳播過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鍵。

4 超高次諧波對其他設備的影響

4.1 超高次諧波對永磁電機的影響

由變流器輸出超高次諧波會引起永磁電機的附加損耗，該損耗情況主要受制于發電機結構、變流器載波頻率、變流器調制比等因素影響。相關研究結論普遍表明：采用較高頻率的載波以及較大的調制比可以有效減小發電機損耗。進一步整理分析文獻數據發現，當載波頻率或調制比低于某一值時，增大載波頻率或調制比能有效減小發電機損耗；高于該值繼續增大參數，損耗的下降較為平緩，減弱效果不明顯。因此，可依據損耗平緩變化段進行參數設計、超高次諧波影響的量化評估、抑制策略的制定等工作，就文獻中永磁發電機而言，可以以3kHz載波，0.7調制比情況下的發電機損耗(約為額定功率3%)為標準，對超高次諧波影響進行評估。

4.2 超高次諧波在牽引機車系統中的影響

高速鐵路牽引機車上普遍采用交-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熱比較嚴重，從而導致電纜終端絕緣受到破壞，并且隨著時間的增長，牽引機車電纜終端老化程度將會進一步加重，有可能導致高壓電氣設備絕緣損壞，嚴重的可能導致事故的發生。某牽引機車過分相運行一段時間后，電纜終端應力控制管處發生爆炸，根據現場實測數據及分析，該現象可能是由于牽引機車過分相后產生的高頻諧波引起電纜終端發熱，從而導致絕緣擊穿。相關文獻針對這一現象，對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熱功率密度進行分析，表明超高次諧波頻率的增加會導致材介電性能的降低，引起終端電場強度的增加，同時引起系統表面溫度升高，并出現明顯熱點，應適當加裝高頻濾波裝置以延長其電氣設備的使用壽命。

5 超高次諧波對配電網影響的趨勢預測

超高次諧波對于配電網的影響應引起足夠重視，有必要預測超高次諧波對配電網的影響趨勢，以提出應對之策。對超高次諧波的發展趨勢預測，應從源頭開始，并對超高次諧波源的未來市場及應用進行分析，從而得到超高次諧波對配電網影響的趨勢預測。

伴隨電力電子技術的發展、半導體器件的革新以及人類可持續發展的需要，光伏發電、風電正快速走向大規模普及，未來是清潔能源的時代。大量光伏逆變器的投入以及各種開關電源的應用，使電網中混雜的超高次諧波迅速增加。同時，作為“新基建”的重要內容，充換電行業亦掀起新的熱潮，該產業的發展從根本上取決于電動汽車的規模化發展，但距離車樁比1：1還有較大差距，充電樁仍存在缺口，充電設備單元等大型設備的制造商往往使用有源功率因數校正器或者PWM整流器等開關型電力電子設備，來滿足限值要求和提高設備的效率，這些技術會導致2～150kHz頻率范圍內的諧波發射。可見隨著接入電網中的電動汽車充電樁數量的增加，若無相關諧波抑制措施，電網中的超高次諧波含量越來越大。此外，隨著技術的進步，功率變換器朝著高頻化的方向發展，輸出諧波頻次越來越高，諧波污染情況不可忽視。

未來分布式電源、儲能、電動汽車等廣泛布置在配電網中，這些設備均采用電力電子變換器與電網連接，以及變頻器、低壓FACTS等具有諧波源特征裝置的廣泛應用，使得電網未來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，電網中的超高次諧波水平將隨著這些產業的發展而持續走高，對配電網的影響會愈加嚴重。

6 結語

隨著光伏逆變器、電動汽車等超高頻次諧波源越來越多接入電力系統，電網中超高次諧波問題越來越突出，主要體現在電力載波通信故障方面，為此本文通過超高次諧波對典型設備的影響研究，量化了超高次諧波對電力線載波通信以及計量裝置的影響，并在此基礎上進行了超高次諧波對配電網影響的趨勢預測，能夠為超高次諧波的限值設定與防治技術提供參考。