电力谐波在配电网中的危害和无功优化设计

国网丹东供电公司 张春华 张建辉 董秀峰 张孝强 关长清

电力谐波在配电网中的危害和无功优化设计

国网丹东供电公司 张春华 张建辉 董秀峰 张孝强 关长清

本文提出了谐波畸变情况下对配电网进行无功优化设计采用有源滤波器+智能化混合补偿装置，结合我国配电网实际,积极研发设计应用智能化混合补偿技术,能使系统网损和谐波畸变率均得到改善，对于推动配电网的技术革命具有较好的借鉴意义。

智能配电网；电力谐波；无功优化；智能化混合补偿

0 引言

智能配电网与传统的配电网相比,具有以下功能特征：

从功能特征上讲,智能电网在系统安全性、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性的提高;支持各种分布式发电与储能设备的即插即用;支持与用户之间的互动。

从技术组成方面讲,智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术、新设备在输配电系统中应用的总和。这些新技术、新设备的应用不是孤立的、单方面的,不是对传统输配电系统进行简单地改进、提高,而是从提高电网整体性能、节省总体成本出发,将各种新技术、新设备与传统的输配电技术进行有机地融合,使电网的结构以及保护与运行控制方式发生革命性的变化。

而智能配电网所有这些的实现离不开电能质量的安全因数，现如今电力电子技术必然继续蓬勃发展，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，造成电力系统的“谐波污染”[1]，尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象，配电网谐波污染必然更加严重。谐波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率，而且给用电设备的正常运行带来严重的危险。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，导致区域性停电事故，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪音，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命[2]，甚至发生故障或烧毁。谐波对通信设备和电子设备会产生严重的干扰，电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号比，在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者功率相差悬殊。

所有这些严重阻碍了智能配电网的发展，谐波抑制将更加被人们重视，如何会获得更好的电能，根据目前配电网自动化发展的现状，结合国内外配电网自动化的技术经验和智能电网配网的要求，提出了在配网无功优化设计中应用有源滤波器+智能化混合补偿装置的设计方式来解决上述问题，使系统网损和谐波畸变率均得到改善，提高了配网的用电质量[3]。

图1 功率因数补偿后

1 有源滤波器的主要技术原理及功能

1.1 概述

当正弦波电压施加在非线性负载上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，就会使电压波形也变为非正弦波。非正弦波中含有的频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波[3]。

随着电力电子技术的广泛应用，如今负载大部分是非线性负载，如在石油、化工、冶金、钢铁、煤矿和轨道交通等部门大量使用各种整流设备、变频器、电弧炉等，以及照明电器、娱乐设施、UPS、电脑、电梯、空调、复印机等等，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种“谐波污染”[1]会对配电网和用户带来越来越多的影响和危害。,

有源滤波器（DEAPF）经过创新反复论证和实验，用于治理电网谐波污染，改善电能质量，从而保证供电可靠性、降低干扰、增长设备寿命、减少设备损坏，作用显著。具有响应速度快，具备连续补偿和动态跟踪补偿能力，谐波滤除率高，与无源滤波器相比不会与电网发生谐振而且还能有效抑制电网本身的谐振，同时根据设定可靠兼顾无功补偿和三相平衡[4]。

图2 谐波治理前

图3 谐波治理后

1.2 技术原理及功能

有源滤波器通过CT实时检测线路电流，并把被检测到的谐波转化为处理器中的数字信号。同时，数字信号处理器（DPS）产生一系列宽频脉冲调制信号，驱动IGBT功率模块通过线路电抗器(XL)向电网输出相位正好与电网谐波电流相反而大小相等的电流注入到电网中，而两种谐波电流正好相互抵消，从而达到滤除谐波，净化配网电流的目的。治理谐波的原理是根据文[3]的相关标准建立的.

1.3 技术特点

有源滤波器可高效滤除2～60次的各次谐波，80µs响应负荷变化，20ms实现安全跟踪补偿。改善系统不平衡，可完全消除因谐波引起的系统不平衡。抑制电网谐振，不与电网发生谐振并可以有效抑制电网自身的谐振。基于瞬时功率理论和RDFT技术自主创新的先进控制技术。具备过流、过压、欠压、温度过高、测量电路故障、雷击等多种保护功能。全数字式操作，具备友好的人机接口，使得操作简便，易于使用维护。可扩展性，良好的功能扩展性，可以多机并联运行便于扩展容量。通讯功能，可应用GPRS或光纤通讯，扩展为远程监测甚至远程控制，有助于配网自动化的实现。充分考虑运行经济性，可在负荷较轻时自动退出运行。

图4 功率因数补偿前

图5 功率因数补偿后

2 智能化混合补偿主要技术原理及功能

2.1 概述

传统的无功补偿设备如晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制投切电抗器（TCR）等，其响应时间慢，分级投切，有补偿死区，滤波能力有限，在谐波大的场合，电容器容易受到损坏，受系统阻抗变化较大，在快速波动的场合，补偿效果差，但由于其成本较低，目前应用范围依旧很广。最先进的无功补偿设备——静止无功发生器（SVG），其响应速度快，补偿线性化，无补偿死区，受系统谐波影响小，具备分相补偿能力，不受系统阻抗变化影响，补偿效果好，但是由于其价格相对传统无功补偿较贵，目前大范围使用较为困难，主要使用在冲击性负荷、变化较快的负荷、电网环境较差的场合进行使用。但随着智能配网自动化的实现，它将逐步取代传统的无功补偿设备，登上历史的舞台。

2.2 技术原理及功能

结合TSC无功补偿装置和静止无功发生装置的优点进行组合，采用静止无功发生器（下称SVG）和晶闸管控制投切电容器（下称TSC）组成的智能化混合补偿装置，真正的动态无功滤波补偿设备采用带有控制功能的SVG模块，来控制动态无功补偿模块（TSC）的投切，从而达到补偿系统的无功功率兼谐波治理，模块可实现平滑线性补偿,补偿的原理是根据文[5]的相关标准建立的 。同时可抵制系统一定容量的谐波，使补偿设备补偿无死区，该设备可全部实现分相补偿及三相补偿，通过液晶显示模块实时显示电能参数信息，整机动态响应时间小于10ms。通过TSC作为主要无功补偿设备，SVG作为精确调整的核心设备，达到和全部采用SVG的无功补偿设备性能一致。价格对用户来说，采购的价格要高于动态无功补偿，但是要远远低于全部采用静止无功发生器的情况，可以看出通过性能和价格分析，智能化混合补偿装置是一款高性价比的产品。这个可以作为以后设计中的首选。

设计智能化混合补偿装置时，一定要注意选择SVG和TSC时，一定要采用统一控制，不要出现TSC部分采用无功补偿控制器控制无功补偿设备的投入，而SVG部分又通过测控板来进行静止无功发生器的投入，这样会出现抢投、误投等情况。

在智能化混合补偿装置的基础上，结合自己在设计各种用户的实际情况。在办公楼、商业中心、数据中心及医院等场合，其无功功率因数基本在0.8以上，可是其谐波含量都已经超过了国家的相关标准及要求，那我们要采用什么样的设备呢?可以采用智能化混合补偿装置和有源滤波器（下称APF）进行组合，有源滤波器设计时要求2种方式控制，一是根据无功功率的变化进行投入；二是根据谐波的变化进行投入。使其具有智能化混合补偿装置的性能，也能具备滤除谐波的性能。

3 无功补偿和谐波治理的实例

图2、3、4、5为一商业综合中心的配电系统的测试数据，采用有源滤波器+智慧型混合补偿装置对补偿前后的系统数据做了对比，效果明显。

设备投入后，系统谐波电流畸变率由20.6%降至4.3%，3次谐波电流由37.9A减小到4.9A；补偿前功率因数0.78，设备投入后功率因数补偿至0.99，效果明显。

综上，在系统严重的谐波污染得到完美的治理后，系统的整体运行效率将会得到提升，系统的安全稳定运行也可以得到有力的保障，因此谐波治理对系统的效益十分巨大。

在采用有源滤波器+智能化混合补偿装置对系统谐波污染进行治理后的效益：

（1）减少谐波含量，避免电容器组和系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁，保证无功补偿柜的正常运行；

（2）减小流过配电线路的电流有效值，提高功率因数；

（3）减少控制设备和继电保护装置误动作或拒动作，提高供电的安全和可靠性；

（4）减小变压器的附加损耗，降低噪声，提升变压器的带载能力；

（5）在有源滤波器容量足够的情况下，一般情况下滤波后的电流畸变率在5%左右；

（6）DEAPF接入后，还能提升变压器和配电线缆的带载能力，相当于对系统进行了一次扩容，减少了系统在扩容方面的投入；

（7）为精密设备稳定正常工作提供保证。

4 结论

伴随着智能电网在中国大地上生根发芽，配电网也与时俱进的迎来了数字化革命时代，带来了先进的智能电网配电系统，体现在先进的通讯技术、人工智能技术和高端的系统控制技术。而传统的配网设备由于存在诸多的不可靠因素，将无法与之完美配合；因此迫切需要一种运行稳定，功能齐全的智能配网智能化混合补偿装置与之协调工作，智能化混合补偿装置就是为配网数字化革命而设计的，无论从设计理念还是控制思想都体现了与智能配网的高度配合，充分发挥了智能配网的技术优势，实现智能配电网设备功能完善化，技术智能化，通信集成化、结构模块化、设计标准化等特点。

[1]IEEE Working Group on Power Systems Harmonics．The effects of power system harmonics on power system equipment and loads [J]．IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1985，PAS-104：2555-2563．

[2]Lemieux G．Power system harmonic resonance—a documented case[J]．IEEE Trans on Industry Applications，1990，26(3)：483-488．

[3]GB/T14593-1993.电能质量——公用电网谐波[S]

[4]GB/T15543-1995.电能质量——三相电压允许不平衡度[S]

[5]GB50227-1995并联电容器装置设计规范[S]