關於電網諧波污染治理相關問題探討

'關於電網諧波污染治理相關問題探討摘要;本文從電網諧波對電網安全運行危害的角度出發，剖析各種諧波源發出的各次諧波以及供需雙方治理諧波污染的多種措施。最後從合理確保供需雙方的經濟效益的角度出發提出瞭幾點建意，完善功率因數力調電費和裝設能夠計量諧波電量的電能表關鍵詞：諧波及治理措施無源濾波器有源濾波器功率因數調整電費辦法計量諧波分量電能表■1Z■■刖B電力是國民經濟發展的基礎工業電能是目前世界各國能源消費的主要形式，電能是一種特殊的商品，它的生崖、運輸、消費同時完成的，它不能儲存。用戶對電能的需求不斷增長，隻有通過典力工業本身的基本建設以不斷擴大電力系強計量裝置的管理工作，才能保證統的規模才能滿足。國內外大量事實表明，供電的可靠性以及電能質量不僅取決與各種設備的性能和質量，而且取決與電力系統的規劃、設計及運行管理的水平。尤其在近十年來，隨著高新技術、信息技術的發展，衆多基於計算機、微處理器、電力電子裝置控制或管理的現代化工業與民用用電設備，對電能質量更加敏感，受電能質量影響所造成的經濟和社會損失問題日趨突出,因而對電能質量提出瞭新的更高的要求，同時也使電力系統面對空前廣泛的諧波、閃變、不對稱等污染電能計量裝置是電力生產、運輸、銷售和使用過程中的 重要衡器，其正確與否直接關系到供電企業和電力用戶雙方的經濟效益。因此加供電企業和電力用戶雙方的經濟效益，才能增強供電企業的市場競爭力，塑造良好的社會公衆形象，才能更好的承擔自己的社會責任科技興國的偉大戰略，是黨中央的高瞻遠矚。面對21世紀科學技術的挑戰，要在激烈的國際競爭中局主動地位，關鍵在於人才，要實現社會主義現代化的宏偉目標，關鍵問題還是人才，隻有提高電力廣大技術工人的技術素質，才能提高電網的管理和運行水平，才能從根本上發展電力工業，才能擔負起振興電力工業的偉大任務—：概述一、諧波的定義諧波是一個周期量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。諧波的幅度值大小和諧波相對於基波的相位關系都是影響這個周期量的重要因數。在聲學中，各種諧波有規則的相加可以構成一首動聽的樂曲和聲；在電力系統中，電壓諧波的幅值大小和諧波相對於基波的相位關系都是影響供電系統電壓正弦波形畸變程度的主要因數二、各類諧波源及主要設備電力系統中的主要諧波源可分為兩類：一是各種整流設備如變流器、交直流換流設備、變頻器等節能和控制用的電力電子設備；二是非線性設備，如交流電弧爐及鐵磁諧振設備等。當正弦基流電壓施加於非線性設備時，這些設備就成瞭電力系統的諧波源。而產生電力諧波的行業和主要的非線 性設備有：1）鋼鐵、冶金行業：電弧爐、精煉爐、直流爐、軋機、中頻爐、高頻爐、各種電力電子設備。2）機械、石油、化工、輕工行業、軋制機械、變頻調速裝置、電解槽、整流器、換流設備、電焊機、感應加熱爐。3）鐵道、礦山、水廠行業：牽引機車、升降機、調速拖動裝置、變頻調速裝置、直流充電機、消磁機、變頻驅動裝置。4）車站、機場、碼頭、電信、廣播行業：照明調光設備、直流電源、不間斷電源、交直流逆變器、射頻發射機、通信交換機、變頻電源。5）商業建築及居民區：照明調光設備、直流電源、不間斷電源、變頻電源及傢用電器三、諧波的危害諧波不僅會消耗系統的無功功率儲備，而且還有其它危害主要表現在以下幾個方面：電力電容器引起的諧波放大；增加施轉電機的損耗；增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命；增加變壓器的損耗；造成繼電保護、自動裝置工作紊亂；引起電力測量的誤差。測量儀表是在純正比弦波情況下時行校驗的，如果供電的波形發生畸變，儀表則容易產生誤差。比如，感應式電能表對設計參數以外的頻率的響應不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負誤差，當頻率約為1000Hz百，電能表將停止轉動；幹擾通信系統；延緩電弧熄滅；還有其對他設備的影響。對電能質量已經不能僅用頻率和電壓這兩個指標來評價瞭，諧波已成為電能質量另一個重要指標二、諧波污染治理相關問題根據上海市電力公司依照國傢標準《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-1993組織對各類用戶（包括居民小區） 進行瞭抽樣諧波實測分析資料，結論如下：1.1I業用戶•鋼鐵用戶註入電網的諧波電流以2、3.4、5次特征諧波電流為主•化工廠註入電網的諧波電流以11、13、23、25次特征諧波電流為主•紡織類用戶註入電網的諧波電流以5、7次特征諧波電流為主•機器制造類用戶註入35KV公共聯接點怕3、5、11、13次諧波電流超過國標限值•軌道交通（以地鐵為例）註入電網的主導諧波電流為5、7、11、13、23、25次諧波電流，35KV及10KV母線上的主導諧波電壓為5、7、11、13.23、25次諧波電壓，其中5次諧波電流和諧波電壓超標較嚴重1.2.非工業用戶•居民小區註入電網的諧波電流以3、5、7、11、13次諧波為主。3次諧波電流是電視機、計算機等負荷產生的；5、7、11、13次諧波電流是空調、電梯等負荷產生的，其中以3、5次諧波電流為主，超過國標限值情況較多•賓館、娛樂場所及辦公樓註入10KV公共供電點的主 導諧波電流是3、5次諧波電流，其中以5次最為嚴重1.3實測結論由於系統的短路容量已達到瞭開關的允許斷流限值水平（短路容量已達到瞭極限），而直接接入220KV的大用戶愈來愈多，這些以冶金類、機器制造類為主的用戶中的換流設備、熔煉設備、沖擊設備產生的諧波電流將直接註入220KV電網低一級網中的諧波尚在不斷地向220KV系統進行傳遞，所以電網的諧波污染呈逐漸嚴重的趨勢。根據法國、日本20世紀90年代初的有關調查資料顯示，隨著大量傢用電器的使用，中低壓電網的電壓畸變率在5-6年內就有可能超標。中低壓配電上存在有大量的醫院、銀行以通信、信息樞紐設施，配電網污染的加重將影響整個城市的正運轉因此，無論是從保障電力系統的安全、穩定、經濟運行的角度上，還是從用戶用電設備的安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內，還電網一個潔淨的電氣環境，營造〃綠色電網〃，已經迫在眉捷-＞電網諧波控制的技術措施諧波控制治理措施分為供電方措施及用戶側措施1.1電網側技術措施電網側諧波控制的技術措施包括：•合理調整供電網路結構及系統運行方式，提高供電母線的短路容量•優化無功補償電容器的配置和運行方式，消除電網中可能出的諧波放大和諧波諧振點 •優化配置一定的諧波吸收設備在電網側有效進行諧波控制，首先要對電網諧波進行監測普查，掌握電網的諧波污染狀況，然後能針對各類情況采取適當的技術措施。（1）采用SVC（StaticVarConpensation）靜止無功補償裝置。這種柔性調節裝置可以廣泛用於抑制諸如電弧爐、電氣化鐵路等快速變化的負荷對電網電能質量的多種不利影響主要方法，它能有效的抑制電弧爐等無功沖擊引起的電壓波動、閃變、負序電流及提高功率因數，還可以實現各相的無功功率快速補償調節以實現三相無功功率平衡等。這種柔性調節裝置一般裝設在地區的樞紐變電站的經濟效益比較明顯。（2）采用M2R磁控電抗的綜合電力濾波裝置。MR磁控電抗器的主電路結構采用無源濾波器與有源濾波器組合而成。無源濾波器起主要濾波功能，並補償一定數量的無功；有源濾波器起到提高和改善無源濾波器性能的作用。MIR在低壓側對電抗器的感量進行控制，以實現無功動態連續調節。該技術是國網公司110KV及以下電網無功優化補償及提高電能質量典型推薦的新技術應用模式的選型產品。（3）特別要註意合理優化配置電容器組的串抗率，避開局部諧波放大現象。並補裝置串聯電抗的合理選擇，應遵循的原則為：安全可靠為主，對電網諧波起一定的抑制作用，通過必要的科學計算合理選擇電抗，使無功得到補償的同時，電網諧波得到充分抑制。根據公式K=XL/XC>1/n2, 串抗電抗率的一般選擇原則為：當3次諧波較大時，應選用12%電抗率的電抗器；當5次及以上諧波較大時，應選用4.5%6涯抗率的電抗器；當3次和5次諧波都較大時，選用12%電抗率和4.5%6济同電抗率的電抗器；另外，對於采用0.1%-m抗率的電抗器，要防止對5次、7次諧波的嚴重放大或諧振；對於采用5%・6涯抗率的電抗器，要防止對3次諧波的嚴重放大或諧振。1.2用戶側技術措施用戶側可采用的技術措施包括：&Z8226；在電容器回路串接電抗器辭226；增加變換裝置脈沖數（相數倍增法）來減少整流設備諧波源的諧波含量在諧波源處就近安裝濾波裝置來吸收高次諧波電流在用戶側裝設治理裝置可以比較容易針對該用戶的諧波特征，設置限制某次或某幾次諧波幅值的理裝置，具有針對性強、技術較易實現、投資較小特點，是電網進行諧波治理最為經濟有效的方法。目前濾波裝置按工作原理可分為以下兩種：一種是有源濾波器，即利用電力電子技術，濾波裝 置本身就是一種諧波源，其大小與負荷產生的諧波相等，但方向相反，正好抵消瞭用戶產生的諧波，從而達到瞭治理的目的。但是由於計劃經濟等多方面的原因有源濾波器在我國的大規模應用還需要一段艱難的過程，目前我國在有源濾波的研究還屬於起步階段。，另一種為無源濾波器，它是利用電容電感諧振的原理達到"吸收"諧波的目的，從而達到限制進入公用電網的諧波，使得公用電網的諧波電壓畸變水平維持在較低的水平。多年來，由於無源濾波器在技術上的成熟性與經濟上的優越性從而得到瞭廣泛使用。一般而言，源濾波裝置分為單調諧、雙調諧和高通三種類型，普通應用為單調諧+高通濾波下面是一起典型的無源濾波裝置案例：這是一傢冶煉廠，變壓器容量1000KVA,一臺中頻爐功 率500KW,—臺變頻器功率150KW,兩臺力拖動電機功率2x50KWz另有其它小容量電動工具和照明負荷設備。供電計量方式如這傢治煉廠主要生產電自行車蓄電池的極板，在生產過程中發現，無功補償的電容器組一入運行，0.4KV的受電開關就跳閘，導致無法正常生產。由於補償電容器組不能投入運行，每個月均發生功率因數調整電費。另外，自傢電力用戶投入生產後，這條10KV線路的線損明顯增大。針對這一現象，對這傢電力用戶的變壓器二次主側進行瞭諧波測試。結果顯示，其50Hz,基波電流為1210A；3次諧波電流為2.04A；5次諧波電流為156A；7次諧波電流為95A；9次諧波電流為1.44A;11次諧波電流為12A可見，5次和7次諧波分量值為最大，著重分析該次諧波所帶來的危害。為定性分析問題和簡化計算，變魔器等值漏陰抗折合到(0.4KV)低壓側的值遠小於負載阻抗值，在並聯接線中，總阻抗主要取決於阻抗小的回路，故：負載阻路可視為開路。在高次諧波電流作用下，電阻值變化並不大，而感抗和容抗與諧波的次數成倍數的上升或下降，故:電阻值可忽略。這樣，圖1供電計量方式的電路可簡化為圖2所示的等值電路由於各次諧波電流被放大，再與基波電流疊加起來就超 過繼電保護負荷電流整定值，這就是低壓受電開關在一投入低壓無功補償電容器時，0.4KV受電開關就跳閘的原因。為瞭解決這一跳閘難題，該廠就采用這種這種無源LC濾波器,該裝置主要由電容器、電抗器及無感的電阻組成，就近並接在非線性負載所在的電網上。對各次諧波而言，本裝置各濾波支路相對應的產生一低阻抗通道，使相應的諧波電流大部分流入該支路，以此達到濾除諧波電流、減小系統局部電壓波形畸變的目的，同時向負載提供補償的無功功率，以提高用戶的功率因數，同時，在電容補償回路中串接一個電抗器也降低瞭諧波電流放大系數。見圖3所示這種無源LC濾波器結構簡單，運行維護方便，適當增加高次諧波濾波通道，可濾除大部分諧波。經LC濾波器濾後，使系統達到國傢標準的要求二〉用戶諧波管理的措施2.1大用戶諧波管理措施建議做好大用戶的諧波治理是搞好用戶諧波管理最快捷有效的辦法，建議電力公司在這一方面可以開展的工作包括：(1)做好用戶非線性設備的統計及備案工作。對於新增非線性設備的用電戶，在審查和批準供電案時，同時要審查用戶的諧波污染評估報告，用戶應向供電公司提供關於非線性用電設備的類型、容量、運行方式、諧波特性等相關資料；對於已經接入系統運行的非線性用電戶，應補報相關非線性用電設備的資料(2)對具有非線性設備的用戶根據國傢標準計算並分配諧波控制指標。要有效進行用戶側諧波管理，必須根據國傢標準設定管理目標。從2004年開始，上海市電力公司在 冶金、化工、軌道交通、電氣化鐵路等部分110KV及以上電壓等級的特大用戶供電工作中試點在供電方案中計算並分配該用戶的諧波控制指標，在供給該客戶的電網PCC點上安裝瞭電能質量監測裝置，並納入電能質量監測網，在用戶電之前進行瞭電網背景諧波的測試，在用戶諧波治理工作上邁出瞭重要的一步(3)對用戶非線性設備(諧波源)的接入系統進行評估。要求具有非線性設備的用戶向電力公司提供具有上應資質單位出具的電能質量評估報告，並經電能質量專業管理部門審核通過。評估程序建議如下：•查明諧波源和系統的參數，包括諧波源參數和系統參•諧波計算，估計諧波源接入電網的影響以及允許諧波源接入電網時需要采取的措施•核對是否符合限制諧波標準的規定•采取限制諧波的措施，把諧波電流和諧波電壓限制在標準規定的范圍內•諧波實測，檢驗是否符合限制諧波標準的規定審定諧波源設備接入電網的工作流程如圖4所示(4)審核客戶設計圖紙落實評估結論，簽訂供電合同時，明確供用電雙方義務2.2.中小用戶諧波管理措施裝置 (1)在電業站內加裝諧波補償裝置對絕大部分中小用戶，特別是數量多、分佈廣的居民用戶，要求其自行安裝諧波治理裝置無論在技術及經濟性方面均不可行，需要電網統籌考慮治理措施，按照相關原則篩選,在電業站內加裝諧波補償裝置電業站篩選原則建議：•諧波普測結果已經超過國傢標準的電業站•根據用電營業普查結果，電業站供電范圍內有較大的諧波源接入諧波超標用戶也已裝設瞭治理裝置，但電業站內諧波仍然超標•電業站的供電范圍內有對電能質量要求較高的用戶如計算機中心、醫院等接入，電業站內的諧波已紀或接近超標(2)建議推廣諧波源接入簡單評估方法•對於低壓電氣設備或者具有小型低壓非線性負荷的客戶；不要求詳細評估其產生的諧波特征或對供電系統的影響，而是按照國傢標準CB17625.1-1998(IEC61000-3-2:1995)規定的低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值(設備每相輸入電流V16A),即可判斷是否可以接入•對於一般小客戶或者非線性負荷數量有限的客戶，如果該類用戶滿足條件：（Si/Ssc）0.1%,則不能直接接入（式 中：Si為第i個客戶的用電協議容量，Ssc為公共連接點的短路容量），可以采用加權的非線性設備容量作為是否可以接入的判據三、幾點建議1、對現行的《功率因數調整電費辦法》進行完善1、1現行的《功率因數調整電費辦法》中的功率因數計算辦法是按照50—60陀工頻來規定的。當電壓為理想正弦波，電路負載為線性負載，其計算的為基波功率因數，其計算公式為：CCS1全波功率因數，WI----基波有功電量，q1基波無功電量在基本正弦波復頻供電網系統中，如查存在非線性负載，由於諧波功率與基波功率的疊加，使其正弦波形畸變，因此就不能再用傳統的基波動率來考量瞭。所以建議有關部門針對高耗能等非線性負載電力客戶應進行全波（基波和諧波）功率因數進行考量。全波功率因數是電力客戶實際全波有功功率與實際全波視在功率的比值，其計算公式為:其中：CC8n——全波功率因數，W1——正向基波有功電量，vn——正向諧波有功電量，wn---反向諧波有功電量；W1----正向基波視在電量，Asn----正向諧波視在電量，wsn 反向諧波視在電量同時，具有線性負載和非線性負載的電力客戶，其全波功率因數總是小於基波功率因數，而且兩者相差較大。由此可見采用科學合理的全波功率因數，才能全面反映出非線性客戶電力負荷的實際情況，進一步保證《功率因數調整電費辦法》得到正確執行1、2•建議試行《諧波電量含有率調整電費辦法》為瞭促進高耗能非線性負載電力客戶諧波治理工作的開展，達到減少電網污染，淨化供用電環境，構建和諧營銷關系，節省電力資源，降損提高經濟效益目的，同時考慮以下各種因數：1＞非線性負載的諧波註入電網，引起正弦波形的畸變，影響供電電壓質量；2每個電力客戶各次諧波疊加後註入電網的諧波電壓電流允許值計算的復雜性和不確定性，諧波功率流向的確定性和實用性;3＞對同一供電電壓等級客戶執行同一考量標準，便於實施和管理等經過研究綜合分析後，提出采用諧波電量含有率這種考核指標，對非線性負載客戶試行電費調整辦法諧波電量含有率是實際諧波視在電量與實際全波視在電量的比值。它能簡單明確地將非線性負載電力客戶的諧波 影響切實控制在國傢規定的電壓正弦波畸變極限值和諧波電流允許值的范圍以內，諧波電量含有率采用下列計算公諧波電量含有率是在綜合瞭SD126-1984《電力系統諧波管理暫行規定》中規定的電壓正弦波畸變極限值和諧波電流允許值的基礎上，擬定出下列四種不同供電電壓等級客戶諧波電量含有率標準值,具體見表1表1諧波電量含有率準值供電電壓等級（KV）諧波電量含有率（％）供電電壓等級（KV）諧波電量含有率（％）0.384.0352.410（6）3.21W及以上1.2諧波電量含有率的電費調整電費調整的規定是參照（83）水電財字第125號文件《功率因數調整電費辦法》的有關要求和規定，分別擬定出不同電壓等級的供電客戶的四種諧波電量含有率調整電費表。如10（6）KV以32鴉標準值的諧波電量含有率調整電費表2表210（6）KV諧波電量含有率調整電費月諧波電量含有率（％）月電費調整率（％）<1.0-0.32.1-1.0區間-0.23.1-2.0區間-0.13.202.3-4.0區間+0.4 4.1-5.0區間+0.5>5.0,每增加0.1+1.0註：減少電費（->增加電費（+》不變電費（0）電費調整的步驟：首先是按照客戶執行的電價類別計算出其當月實際電費，然後再依據當月計算出實際諧波電量含有率與客戶供電電壓等級規定的諧波電量含有率標準值進行比對，若高於標準值，則按其規定月電費調整率增加電費；若低於標準值，則按其規定月電費調整率減少電費；若等於標準值則不增不減電費。供電企業應按電力客戶當月實際電費與調整電費兩者的代數和收取當月全部電費2、安裝使用諧波計量裝置，對於非正弦交流電路的功率而言：—個二端網絡的端口電壓降電流各為u(t)和i(t)時，該網絡的端口瞬間功率當選擇u(t)、i(t)的參考方向一致時，所得P(t)視為該網絡從端口吸收的瞬時功率；參考方向相反時，視為發生的瞬時功率若u(t)及i(t)是周期相同(設為T)的非正弦量，將它們用傅裡葉級數表示，則式中的屮k為k次諧波電流的初相；ipk為k次諧波電壓比k次諧波電流超前的相位 網絡端口的平均功率，即有功功率上式兩個方括號相乘展開後有兩種類型:(1)同次諧波(包括恒定分量)電壓、電流相乘。其中：UOIO在一周期內的平均值仍為UOIO;它在一周期內的平均值為:(2)不同次諧波(包括其中有一個是恒定分量)電壓、電流相乘，它們在一周期內的平均值都為零所以，網絡的平均功率由此可見，非正弦周期交流電路的平均功率(即有功功率)等於各次諧波(包括恒定分量)平均功率之和。所以，由於諧波電流流入到電力系統中，造成局部電壓正弦波形畸變，電能表的計量芯片在電壓采樣過程中，相當於把電壓形 引入到直角坐標系中對變化一個周的波形進行n個點采集，通過瞬時值計算出電壓的有效值。由於電壓波形的畸變，計算出來的電壓有效值往往偏小。電流在采樣過程中，同樣也相當於將電流波形引入到直角坐標系中，由於被放大的諧波電流與基波的波形同時在上升或下降時，易造成采集點錯誤，這樣在采集到的電流和電壓被送到乘法器中。計算出來的功率對時間的積分時，就不能保證準確電能計量。電能表少計量幾千瓦時的電量，再乘以計量倍率，就可能導致成千上萬千瓦時的電量丟失。所以線路線損增大，並非由於線路損耗增加，而是表計對畸變的電壓波形和各高次諧波電流無法進行數據處理，最後導致電量丟失。大量工業用戶的生產過程中，隨著大功率非線性負荷的迅速增加，使供電系統中電壓、電流波形發生畸變，不僅對電網造成瞭嚴重的影響，並使電能計量的誤差急劇增大（諧波含量愈高影響越大，電能計量誤並也越大）》為瞭合理計量用戶口消耗的有功電能，在選用電量平衡統計和貿易結算電能表時，針對含高次諧波的用戶，不僅要求用戶按國傢標準的要求進行諧波治理，還應選用具有計量諧波分量電能的多功能電能表參考資料及文獻:【1】靜止無功功率補償技術粟時平劉桂英中電力出版社[2]現代電能質量檢測技術粟時平劉桂英中國電力出版社[3]電網諧波治理和無功補償技術及裝備羅安中國電力出版社【4】公用電網諧波的評估和調整許❷中國電力出版社[5]電能質量技術問答董其國中國電力出版社'