馮宇,李澍森

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 高壓電器研究所,湖北 武漢 430074)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷日益增多,使得諧波成為一個(gè)普遍的、亟需治理的電能質(zhì)量問題。為了控制諧波污染,我國(guó)于1993年頒布了諧波國(guó)標(biāo)GB/T 14549—93[1],15年以來(lái),電力企業(yè)及客戶以此為依據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波的控制和管理。

GB/T 14549—93中的諧波電壓限值是評(píng)判電網(wǎng)諧波電壓水平的主要依據(jù),而電網(wǎng)諧波電壓水平則是考察電力企業(yè)供電質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。實(shí)際上,電網(wǎng)的諧波電壓水平不單單由供電方?jīng)Q定,還受到電力用戶的影響[2]。因此,諧波電壓限值的合理性就成為一個(gè)攸關(guān)供用電雙方技術(shù)、經(jīng)濟(jì)利益的重大問題,一直備受關(guān)注。

本文通過整理大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以總諧波畸變率為例,考察諧波電壓限值的合理性。分析結(jié)果表明,我國(guó)各電壓等級(jí)的諧波水平大體可控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi),各重點(diǎn)行業(yè)的超標(biāo)諧波源經(jīng)治理后、其諧波水平可降低到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)并具有節(jié)能效益,盡管在一些地區(qū)電鐵諧波水平較高,超出現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值,但經(jīng)過治理可降低到國(guó)標(biāo)限值之內(nèi)。

2 我國(guó)各電壓等級(jí)諧波電壓的基本狀況

諧波國(guó)標(biāo)的制定、頒行以及修訂,既要立足于我國(guó)地域幅員遼闊、各地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在明顯差異的基本國(guó)情以反映各地區(qū)的現(xiàn)有諧波狀況,又要起到裁決諧波事故糾紛、為諧波治理提供參考依據(jù)的作用,還需具有前瞻性、在標(biāo)準(zhǔn)頒行后的若干年內(nèi)都能客觀合理地反映我國(guó)各地區(qū)的諧波發(fā)展水平。

通過對(duì)現(xiàn)有資料的整理,總結(jié)出我國(guó)部分地區(qū)各電壓等級(jí)的諧波電壓基本狀況如表1[3～17]所示,從中可得如下結(jié)論:

1)各類非線性負(fù)荷的數(shù)量多少是影響該電壓等級(jí)諧波水平的重要因素,而非線性負(fù)荷的數(shù)量又與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)。如文獻(xiàn)[5]的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于 1994年(GB/T 14549—93頒布不久),當(dāng)時(shí)浙江的經(jīng)濟(jì)規(guī)模和發(fā)展階段使非線性負(fù)荷的數(shù)量不斷增加,在接入電力系統(tǒng)時(shí)又基本上無(wú)章可循,因此諧波水平較高;

2)隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的不斷增強(qiáng),供用電雙方對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)和要求不斷提高,各類電能質(zhì)量治理的手段也日益完善。在這種情況下盡管非線性負(fù)荷不斷增多,但諧波電壓水平仍有可能降低、控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。如文獻(xiàn)[6]的電鐵在采用了治理措施后,可使諧波水平不超標(biāo);

表1 部分地區(qū)各電壓等級(jí)諧波THD普查結(jié)果匯總T ab.1 The THD survey results collect of each voltage grade harmonic in some areas

3)在各類非線性負(fù)荷中,由于110 kV電網(wǎng)對(duì)電鐵供電,因此電鐵對(duì)該電壓等級(jí)的諧波電壓水平影響巨大。如不加治理,則必然超標(biāo)[4,7],通過治理則可將諧波電壓水平限制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)[3,6];

4)參照110 kV等級(jí)的限值,現(xiàn)階段各地區(qū)220 kV等級(jí)的諧波水平不超標(biāo)。

綜上所述,盡管某些地區(qū)的諧波水平較高,但考慮到國(guó)標(biāo)應(yīng)具有“約束落后、鼓勵(lì)先進(jìn)、促進(jìn)電網(wǎng)諧波水平不斷降低”的作用,在電能質(zhì)量治理手段不斷進(jìn)步的大背景下,我國(guó)各電壓等級(jí)的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。

3 重點(diǎn)行業(yè)的諧波電壓水平分析

電力系統(tǒng)中的非線性元件(主要是各種電力電子裝置)是產(chǎn)生諧波的主要原因,這些非線性諧波源主要分布在電鐵、冶金、化工、軌道交通等行業(yè),因此這些行業(yè)對(duì)國(guó)標(biāo)GB/T 14549—93諧波電壓限值的執(zhí)行情況基本可以反映出國(guó)標(biāo)諧波電壓限值的整體執(zhí)行情況。

軌道交通是近幾年才在大城市中出現(xiàn)的諧波源,通常在設(shè)計(jì)之初就會(huì)考慮到諧波治理問題,對(duì)電力系統(tǒng)影響不大;電鐵影響巨大,將專做討論。本節(jié)主要以冶金、化工行業(yè)為例分析其國(guó)標(biāo)執(zhí)行情況,典型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2[11,12,14,16,18,19]所示。

由表2可得如下結(jié)論:

1)在6個(gè)測(cè)試對(duì)象當(dāng)中,編號(hào)1,4(進(jìn)線電壓),6的THDu可達(dá)到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值,占測(cè)試對(duì)象總數(shù)的50%。編號(hào)4(出線電壓)的THDu超過現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值,占測(cè)試對(duì)象總數(shù)的16.7%,參考文獻(xiàn)中未指明這3個(gè)測(cè)試對(duì)象是否進(jìn)行了諧波治理。編號(hào)2,3,5等3個(gè)測(cè)試對(duì)象在未進(jìn)行諧波治理的情況下,其THDu超過現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值,占測(cè)試對(duì)象總數(shù)的50%;

2)編號(hào)2,3,5等3個(gè)測(cè)試對(duì)象經(jīng)過諧波治理后,其THDu低于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值;

3)各類典型諧波源除了產(chǎn)生諧波之外,通常還會(huì)引起無(wú)功、功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題,對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性,對(duì)這些電能質(zhì)量問題必須加以治理。如果選用(無(wú)源、有源、混合)濾波器作為治理手段,則不僅可以濾除諧波,同時(shí)還可以提高功率因數(shù)、減少無(wú)功損耗、具有節(jié)能效益。由此可知,對(duì)各類諧波源進(jìn)行諧波治理是提高電能質(zhì)量的有效途徑。

表2 典型諧波源執(zhí)行GB/T 14549—93的THD限值情況匯總Tab.2 The T HD limitation value situation collect of typical harmonic source execute GB/T 14549-93

綜上所述,各類典型諧波源的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。對(duì)于諧波水平超標(biāo)的諧波源,經(jīng)治理后,其諧波電壓水平可降低到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。進(jìn)行諧波治理可有效提高電能質(zhì)量,十分必要。

4 電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)諧波電壓的影響分析

電鐵負(fù)荷是一種對(duì)電網(wǎng)諧波電壓水平影響巨大的諧波源。目前我國(guó)絕大部分的電力機(jī)車是韶山型機(jī)車(如 SS4改進(jìn)型、SS8型、SS9型),采用直流驅(qū)動(dòng)方式,使得電氣化鐵道的諧波具有如下特點(diǎn):

1)單相獨(dú)立性。我國(guó)鐵路供電系統(tǒng)均采用兩相供電制,但兩相負(fù)荷相關(guān)性很小,通常認(rèn)為兩臂負(fù)荷是獨(dú)立的;

2)隨機(jī)波動(dòng)性。相控機(jī)車電流的波形隨相控角的變化而改變,諧波電流隨基波負(fù)荷劇烈波動(dòng),諧波含量取決于機(jī)車的運(yùn)行工況;

3)相位廣泛分布。諧波向量可在復(fù)平面4個(gè)象限上廣泛分布;

4)高壓滲透性。任一次諧波都通過高壓系統(tǒng)向全網(wǎng)滲透,不受變壓器接線方式的阻礙;

5)穩(wěn)態(tài)奇次性。單相整流負(fù)荷在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)只產(chǎn)生奇次諧波,僅在涌流中含有偶次諧波。

以上特點(diǎn)導(dǎo)致牽引供電網(wǎng)的功率因數(shù)低(一般額定工況時(shí)在0.8左右)、諧波含量高,進(jìn)而影響電網(wǎng)諧波電壓水平。

電鐵諧波的治理可從機(jī)車本身或牽引變電站兩方面入手:

1)機(jī)車裝設(shè)濾波裝置,或改進(jìn)機(jī)車的主電路和工作流程,如韶山4改進(jìn)型采用不等分3段半控橋式整流電路、同時(shí)配合一定的工作流程,可在提高功率因數(shù)的同時(shí)有效抑制諧波;

2)在變電站牽引母線上裝設(shè)濾波裝置集中補(bǔ)償,也可以裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置、具有一定的諧波抑制作用。如株洲變流技術(shù)國(guó)家工程研究中心研制的TCR型靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置于2005年10月在百色牽引變電所正式投入使用,同年10月11日進(jìn)行南昆線重載牽引擴(kuò)能試驗(yàn),測(cè)得動(dòng)補(bǔ)裝置投運(yùn)后,運(yùn)行穩(wěn)定,多項(xiàng)數(shù)據(jù)反應(yīng)良好。

特別需要指出的是,采用PWM技術(shù)的交流變頻調(diào)速機(jī)車在今后將逐漸投入運(yùn)行,諧波和無(wú)功的問題將會(huì)得到更大改善。高速鐵路由于采用交直交型電力機(jī)車,機(jī)車運(yùn)行功率因數(shù)一般高于0.93,產(chǎn)生的諧波較小(總諧波電流畸變率小于5%),使得諧波和無(wú)功沖擊問題對(duì)電力系統(tǒng)的影響較小。因此,不論是立足于現(xiàn)有技術(shù)條件,還是考慮到鐵路今后的發(fā)展趨勢(shì),鐵路部門都有條件對(duì)諧波進(jìn)行有效治理,降低對(duì)電網(wǎng)的影響。

通過對(duì)現(xiàn)有資料的整理,總結(jié)出電鐵負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)諧波電壓水平的影響狀況如表3[3,4,6,7,20～22]所示,從表3中可得如下結(jié)論:

1)在電鐵負(fù)荷的影響下,相當(dāng)一部分測(cè)試對(duì)象的電網(wǎng)電壓THDu超過現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值;

表3 電鐵負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)(110 kV)諧波電壓水平的影響結(jié)果匯總Tab.3 The results collect of effect that electrified railway load on power network(110 kV)harmonic voltage level

2)從測(cè)試對(duì)象1,2的THDu指標(biāo)可知,電鐵對(duì)系統(tǒng)電壓的影響大于系統(tǒng)背景諧波,由此可見電鐵諧波源對(duì)電網(wǎng)諧波電壓水平的巨大影響;

3)測(cè)試對(duì)象6的THDu在未治理時(shí)超標(biāo),經(jīng)治理后低于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值。測(cè)試對(duì)象5在未治理時(shí)T HDu超標(biāo),投入4種無(wú)功補(bǔ)償裝置后,盡管仍有3種情況超標(biāo),但其中2種情況的T HDu已經(jīng)接近現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值。不難推知,如果采用濾波裝置,則 THDu必然會(huì)降低到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值之下。因此可以說,現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值對(duì)于電鐵諧波源是合理的。

綜上所述,盡管在一些地區(qū)電鐵諧波水平較高,超出現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)定的限值,但經(jīng)過治理是可以低于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值的。

5 結(jié)論

1)非線性負(fù)荷的數(shù)量多少與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān),是影響電網(wǎng)諧波電壓水平的重要因素。隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷增強(qiáng),供用電雙方對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)和要求也不斷提高。因此盡管非線性負(fù)荷不斷增多,某些地區(qū)的諧波水平較高,但考慮到國(guó)標(biāo)應(yīng)具有“約束落后、鼓勵(lì)先進(jìn)、促進(jìn)電網(wǎng)諧波水平不斷降低”的作用,在電能質(zhì)量治理手段不斷進(jìn)步的大背景下,我國(guó)各電壓等級(jí)的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。

2)在冶金、化工等重點(diǎn)行業(yè)中,各類典型諧波源的諧波電壓水平大體可控制在現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值之內(nèi)。超標(biāo)諧波源經(jīng)治理后、其諧波水平可降低到現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值內(nèi)并具有節(jié)能效益。對(duì)各類諧波源進(jìn)行治理還可以在一定程度上解決無(wú)功、功率因數(shù)等問題,是提高電能質(zhì)量及節(jié)能的有效途徑。

3)電鐵負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)電壓的影響大于系統(tǒng)背景諧波,致使相當(dāng)一部分測(cè)試對(duì)象的電網(wǎng)T HDu超過現(xiàn)行國(guó)標(biāo)的限值。通過對(duì)多處電鐵諧波治理案例的分析可知,經(jīng)過治理后的電鐵諧波電壓水平是可以低于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值的。加之今后交直交型電力機(jī)車的不斷增多,對(duì)電網(wǎng)諧波電壓的影響可進(jìn)一步降低,因此可以說,現(xiàn)行國(guó)標(biāo)限值對(duì)于電鐵諧波源是合理的。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

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