[科普中国]-谐波网损

简介

大量非线性时变负荷的增加，使注入电网的谐波分量增多，致使系统中电压、电流波形发生畸变，造成电力系统谐波污染2。近年来，随着电力电子技术的发展和人们生活水平的提高，这种非线性时变负荷增长的速度越来越明显，如现代办公楼、商场及家庭中的变频空调开关式电源、计算机、电了照明器具和整流器等都具有非线性特性，产生很大的谐波网损，对电网的经济运行不利。2007年我们对河北省沧州地区的部分商场、宾馆、办公楼、居民小区和工业企业等20个谐波测量点进行了实时测量，测量点位置均选在配电变压器低压侧的出线上，结果表明0.4 kV侧的相电流谐波含有量基本都在5.5%~25%，个别监测点达到50%中性线中的谐波含量均在85%以上，个别监测点高达220%。

低压配电网谐波网损的需求侧管理需求侧管理(CDSM)是节能减排、改善环境、应对全球变暖行之有效的手段，也是国家可持续发展的重要战略选择。35 kV以下配电网总谐波畸变率CTHD)不超过4%，各次谐波含量不超过3.2%。但是从20个谐波测量点数据分析的结果来看，低压配电网的谐波污染非常严重，谐波网损占总网损的3.6%左右，个别点高达8.0%，其中以3,5,7次谐波最为严重，这三种谐波功率之和达到谐波总功率的73.8%~%.3 %，同时在三相四线制的配电网中中性线线损占总网损的比例也较大。如此高的谐波网损对电网的安全可靠运行、节能减排、各种电气设备的正常运转以及工作人员的人身安全等都构成了严重的威胁，同时按照我国现有的电费管理政策，这部分损耗由供电公司白己承担，这也是很不公平，因此必须采取必要措施对配电网的谐波网损加以控制和有效管理3。

谐波网损管理的技术措施谐波网损管理的技术措施包括电网侧管理和用户侧管理两个方面2。

电网侧管理措施电网侧谐波网损管理的措施包括:

1)优化电网结构和运行方式，提高供电母线的短路容量.

2)合理配置补偿电容器，优化运行方式，消除因并联电容器组的投入而引起某次谐波的放大。

3)选择具有吸收一定谐波分量的装置，如美国的EP-2000、上海追日的ZRAF系列、苏州和顺的APF系列和西安赛博的SPA3系列等有源滤波装置。

用户侧管理措施用户侧谐波网损管理的措施包括3:

1)在每组电容器上串联电抗器，构成无源电力滤波器，选择L和C参数时主要兼顾3次和5次谐波的抑制问题。

2)增加变换装置脉冲数(相数倍增法)来减少整流、换流设备谐波源的含量。

3)谐波源处就近安装滤波装置，滤除谐波分量。

4)使用变频器等产品时，必须选用谐波在国家规定范围内的合格产品。

谐波网损管理的组织措施1)加强标准和相关规范的宣传贯彻。加强对谐波定义、测量及谐波危害宣传，让广大电力客户明确谐波治理不只是供电部门的责任，白己也应承担相应的责任，实现互惠互利、节能增效、保证电网和设备安全稳定运行的重要目的。

2)加强巡视和监督。电力部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备详实的原始，做到有的放矢。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求;对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。

3)严格大用户谐波管理。过去供电部门对于大用户的用电管理侧重于功率因数，对谐波基本上没有采取任何管理措施。随着接入系统的非线性时变负荷数量的不断加大，对于大用户的谐波管理必须纳入供电部门的正常工作中，做好大用户非线性时变负荷的统计和备案，对其电能质量进行科学的评估，根据国家标准和评估结果计算分配谐波控制指标，明确供用电双方的义务。

谐波网损管理的经济措施制定相关的经济措施，利用经济杠杆，达到节能增效的目的。像采取多种电价政策鼓励企业为实现电网削峰填谷的目的一样，对于达到规定的谐波标准的用户，给予一定的优惠措施，反之则给予一定的经济处罚3。

谐波网损的计算谐波电流在电网中流过时，与同频谐波电压产生谐波功率，而谐波功率的产生对电网经济运行不利。谐波功率除了供热用的电热外，无任何效益，只是以发热的形式在传输过程各环节及用电设备中消耗掉。所以谐波功率实质上就是因谐波而产生的网损—谐波网损。因此正向谐波功率增大了电力系统的网损。谐波除了直接引起网损的增加，还将引起功率因数的降低，从而间接地引起电网损耗的增加3。

利用网络中装设的大量监测终端所采集的数据进行配电网理论网损的计算。提出了2种计算配电网理论网损的方法，即回路电流法和电流电压法。这2种方法不依赖以对网络的拓扑分析和设备参数，充分利用监测终端的数据，以区段为单位进行理网损的计算。回路电流法需要TTU的实测数据，计算精确;而电流电压法仅需要区段首端FTU的实测数据，计算较粗糙。但没有区分基波网损和谐波网损，并且其计算精度取决于监测终端的数量，如果现场的监测终端安装数量较少，则应用此方法计算时产生的误差较大。

配电自动化系统的实际应用情况以及配电网的一些自有特点，利用现场监控单元上传的三相实时数据，提出一种以馈线段而不是整条馈线为基本计算单元的三相划分为馈线段，并基于馈线段对段内各个设备进行数学建模，在结合系统实时运行数据的基础上，不仅可以获得比旧有方法精确许多的线损计算结果，而且能计算出所有馈线段内各个设备的详细线损情况，使系统内的线损分布一目了然，有利于运行人员轻松方便地进行配电线损分析与计算，为进一步优化配网系统提供了有力依据。但同样没有区分基波网损和谐波网损，只是笼统的计算了配网的线损，不能够显示出谐波对配网线损的影响。而且该方法的应用具有一定的条件限制。

对等值电阻法进行了理论推导，它把配电网络通过元件的有功损耗为通过配电网线路等值电阻和配电变压器等值电阻所产生的有功损耗，在配电网线路等值电阻和配电变压器的等值电阻计算出来之后，便可求得在某时段内配电网的电能损耗。等值电阻法是一种成熟的网络损耗计算方法。理论推导及其论述为本课题谐波网损的计算分析提供了很好的借鉴。

配电网损耗理论计算一般采用潮流计算法或等值电阻法进行。前者可以同时得到网内各点的电压水平，动态地考虑无功投切对损耗的影响，通常用于对规划中的电网损耗和运行电压的预测。由于配电网节点多，数据不能被完全采集，故潮流计算法不适用于运行中配电网节能管理的计算。而等值电阻法则完全可以对全网或配网的谐波网损进行估计计算，谐波总畸变率计算谐波网损的方法简单，以及由于考虑的谐波次数有限可能有些误差，但是随着谐波次数的增加，谐波电流甚至递减到可以忽略不计，由此形成的误差在允许范围内。

居民用电所产生的谐波的治理对于居民用电时间比较集中、季节性强、且谐波中含有大量零序分量的特点[6]，居民用电所产生的谐波治理可以从以下三个方面入手:设计方面;管理方面;技术方面1。

1)设计方面。首先要合理规划供电结构，在进行配网设计时，要尽量详细的掌握配网的负载情况及谐波源。在低压配网系统中，将产生谐波的电气设备接在同一母线上，可以利用谐波的互补作用降低配网中的谐波含量;将不产生谐波的电气设备接在同一母线，尽量减少谐波对其影响。关于变压器，为了防止谐波电流引起的过热，可以使用因数变压器，该变压

器的设计基本上是通过改善绕组和降低铁芯损耗来减少由谐波电流所引起的附加损耗。配网中若有三相整流变压器，应采用D, ynll接线方式，以最大限度的抑制谐波。另外，在三相系统中，三相负荷功率相等不代表三相平衡，因为负荷的自身特性可能导致三相不平衡和非线性。所以在进行配电设计时，除了使三相负荷功率平衡外，还应考虑各相所带的负荷性质。

2)管理方面。谐波的治理，需要大量的投资，走共同治理之路。在分清谐波来源基础上，除了依靠供电部门，还要调动电力供需环节中的各个方面。谐波治理是综合治理的过程，有明确的规定和要求，是改善供电品质的重要方面。然而许多电力用户，对谐波的危害没有足够的认识，往往认为谐波治理仅仅是电力部门的事情。就此而言，电力管理部门有必要加强

谐波治理方面的宣传，强调谐波带来的危害和谐波治理的重性及投资回报。在对谐波准确测量的基础上，提出适合于用户的治理方案。

3)技术方面。电力系统谐波的抑制方法可分为预防性和补救性两大类，而针对居民用户的特点预防方法效果不大，所以通常使用补救性方法，补救性方法主要是使用滤波器进行滤波。

滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。二者之间的本质区别在于:无源滤波器只能滤除特定阶次的谐波电流，而有源滤波器是对电网进行实时监测，在检测到系统谐波的同时向系统注入一组与之相位相反的电流来抵消谐波电流，同时动态补偿基波无功功率。其优点是可同时处理多阶次谐波，缺点是价格较贵。由于居民用电对电能质量要求相对较低，应尽量避免增设造价过的高设备，以防止对居民产生过高的资金分摊压力，故采用单调谐滤波器与高通滤器相结合的混合无源滤波方式进行谐波治理。另外还可以通过改变电容器组的安装位置或调整电容器组的无功出力来治理。在调谐的谐波次数下，电容器和电抗器具有相同的电抗，但是需要特别注意的是电容器应能承受施加在其上的总电压。然而，随着电力电子技术的发展，未来滤波的趋势是采用有源滤波器。有源滤波器可以对频率与幅度发生变化的谐波进行跟踪，具有不受阻抗影响的特点，并且避免了出现谐振的危险。目前，以下3个原因限制了其在我国的应用:1)国外同类装置价格太高;2)人们对谐波危害还没有足够的认识;3)国内谐波问题的污染程度还不是特别严重。但是，随着技术的发展有源滤波器的价格会进一步下降，并且未来谐波源将越来越多也越来越多样化，谐波问题会变得越来越复杂，因此人们对谐波认识也会逐渐加深，所以综合来看，未来滤波的发展趋势是有源滤波。

针对绝大多数居民用户采用的TN-S或TN-C-S的配电方式，由于其存在中性线，零序谐波电流，特别是3次谐波电流在中线上会相互叠加，使得中线电流中的谐波状况异常严重。面对这种状况，除了适当增加中性线的截面积，降低其带来的不利影响外，可以在中性线上加装零序滤波电抗器。该电抗器使用的是LC调谐滤波器的原理，但是无电容拓扑，具有效率高、结构简单、投资少、运行可靠，不存在谐波放大和失谐等优点。零序滤波装置在三相四线制城市配电网滤波工程中具有较好的应用价值，可以有效的降低谐波对配电网的危害。

展望随着居民生活水平的提高和电力电子技术的发展，居民和商业用电所产生的谐波几乎成为低压配电网中主要的谐波增长源。文章通过测量并分析了居民用电中的谐波对于电力系统配电网线损和其它恶劣影响，并在最后给出了治理建议，这对于电力系统降损方案的制定有很好的参考价值1。