上海电网低压侧无功与谐波现状及治理案例研究

徐蕊妍

(上海市安全生产科学研究所，上海 200233)

表1 上海电网低压侧配电站无功补偿及谐波治理设备安装调查表

上海电网低压侧的功率因数普遍偏低，采用力率调节的罚款手段并不能从根本上解决因功率因数偏低而造成的线路损耗问题，同时无功导致的用户出线电缆末端电压下降问题也得不到根治。本文对上海电网典型低压侧的无功和谐波情况进行调研并提出治理措施，有利于为大用户用电咨询提供依据，对提高供电服务有很大的帮助。

1 上海电网低压侧无功及谐波现状

目前上海电网低压侧配电站内针对无功污染，配置传统电容器投切型无功补偿设备，但针对谐波污染，无论电业站，还是用户站，均没有配置相应的补偿设备。

谐波污染也会对电力设备和用户设备带来很大的危害。所以对上海电网典型低压侧的无功和谐波情况进行调研和分析，设计并实践采用新技术和新设备的治理方案，对国网上海市电力公司采用何种技术和管理手段来降低线损，为大用户用电咨询提供依据，提高供电服务有很大的帮助。

国网上海市电力公司各供电分公司低压侧配电站无功补偿及谐波治理设备的安装情况如表1所示。

由表1可以看出，上海电网大部分低压侧配电站内配置传统电容器投切型无功补偿设备，而动态无功补偿设备、有源电力滤波器(APF)等无功补偿效果好，滤波性能好的设备却未能大量采用或基本未采用。由于谐波影响等，上海电网大部分低压侧配电站电容器投切型无功补偿设备不能正常使用，这既造成设备投资浪费，又无法解决功率因数偏低的问题。

为了保障电网的安全和优质供电，国网上海市电力公司自2007年起，经过一期和二期的建设，建立了覆盖0.4 kV到500 kV电压等级，拥有近300个专业监测点的电能质量监测系统。通过整合公司已有信息资源，无缝接入了其他系统约3 500个监测点数据，从而成为目前国内外最大的电能质量监测网。

上海电网电能质量监测系统中包含0.4 kV电压等级的监测点17个，其他系统接入的监测点为29个，涉及居民、商业、工业等典型负荷。国网上海市电力公司市区供电公司谐波调查的监测点均为低压非工业负荷，在低压设备受电端无功补偿设备大部分为电容器投切型无功补偿设备，由于电容器投切型无功补偿设备响应时间过慢，并未采取谐波滤除措施。因此，低压设备产生的电压波动、闪变、谐波通过供电公司低压配电系统，进而影响上级电网。若要彻底阻断低压设备产生的谐波流向上级电网，必须安装谐波滤除装置。而市区供电公司反映的仅仅是上海电网的一小部分低压配电站，为保证上海电网的安全稳定运行，应在上海电网全面推广无功补偿及谐波治理装置。

近年来, 上海电网负荷增长迅猛, 日趋复杂、多样化，建议采用先进的动态无功及谐波治理设备来设计治理方案，以分析动态无功及谐波治理设备在低压侧的技术可行性、运行效果、效益产生，为今后上海电网典型低压侧的无功及谐波治理设备的选型提供参考依据。

2 上海电网低压侧无功及谐波治理模式

2.1 治理模式

电力系统存在大量的无功负荷，使电力系统在传输有功功率的同时输送大量的无功功率，造成线路电压损失加大和有功损耗增加，降低系统的功率因数，使电网的供电质量恶化。低压电网是电力网末梢，电压低传输同样的电能造成线路电压损失要高于高电压网络，因此加强对低压供配电网无功补偿，保持无功平衡，对于保证电能质量，降低配电网损耗，提高配电网的输送能力和设备利用率具有重要的作用和意义。

配电网无功补偿应遵循“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”的基本原则，按照变电站的配电台区集中补偿，用户终端就地分散补偿和配电线路分散补偿的原则，实现无功功率的分级平衡。

按照治理策略的不同，主要分为供电企业治理、用户治理以及能源合同管理。

2.2 运营模式

2.2.1供电企业治理模式

(1)供电企业治理模式主要是针对输电网的无功平衡，在配电网变压器380 V侧进行集中补偿，是普遍采用的一种模式。在此模式下，补偿装置可以采用新型动态无功及谐波治理装置，根据用户负荷水平的波动，投入补偿装置自动进行跟踪补偿。

(2)在配电系统中，除了专用变压器外，还有许多公用变压器，公用变压器通常安装在户外的杆架上，并且负荷率普遍较低，如果在每台公用变压器上安装无功补偿装置，就会造成设备投资大，利用率低，经济性差，并且难于维护、控制和管理。

(3)当380 V低压配电线路较长且负荷较重，而且只对大容量负荷就地补偿时，线路中仍有大量的无功功率在流动，使低压配电网线损及电压损失较大。为了减小线损及电压损失，可采用在低压线路上进行无功补偿。

如果以减少线路有功损耗作为优化目标，可采用经典优化模式“三分之二法则”，作为低压配电线路无功优化补偿的基本模式，即单点补偿地点选在离线路首端2/3处，补偿容量为无功负荷的2/3。

2.2.2用户治理模式

用户治理模式是指将无功补偿或谐波治理装置直接装在用电设备附近，与用电设备并联，对电动机等用户负载就地补偿。

与其他方式相比，优点是能减少线损和电压损失，改善电压质量，提高线路供电能力。缺点是低压无功补偿通常按配电变压器低压侧最大无功功率需求来确定安装容量，而各配电变压器负荷波动的不同时性造成了大量电容器在轻载时的闲置，设备利用率不高。

2.2.3能源合同管理模式

能源合同管理模式是适应“十一五”节能规划要求而产生的国内较新型的能源管理模式。与传统的能源管理和节能改造模式相比，能源合同管理是一种市场机制，达到项目节能减排的社会效益目标的同时，还能为合同双方带来经济效益。

目前，美国的能源合同管理较为普遍采用的是保证节能收益的合同方式，合同中规定了能源服务公司为客户实施节能项目后必须达到的节能收益指标；如果没有达到，能源服务公司必须对未完成的合同内容进行赔偿。

在中国，能源合同管理模式尚处于起步阶段。能源服务公司尚未建立起足够的商业信誉，也缺乏良好的经营业绩，所以较难获得客户的信任；另一方面，外部环境也不完善，不仅企业无功补偿的认识需要再提高，对于相关的法律体系也尚未完善，还需要统一的无功补偿的测试、验证标准以及对完成无功补偿目标企业的政策支持。

3 上海电网低压侧无功及谐波治理案例

3.1 工业案例

对工业案例(某塑胶企业)采用了动态无功补偿及谐波治理装置加电容器投切补偿方式的改善措施，在节能降耗方面取得了明显效果。

治理前谐波测量情况统计见表2。

表2 治理前谐波测量情况统计

治理后谐波测量情况统计见表3。

表3 治理后谐波测量情况统计

表3中,电压总谐波畸变率THDU=2.33%，小于国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中电压总谐波畸变率THDU<5.0%的规定。奇次谐波电压含有率也小于规定。功率因数由原来的0.60～0.80提高到0.98左右，电流波形基本接近于正弦波，大大降低了畸变率，整个治理达到了满意的效果。

3.2 上海大众汽车某厂车身车间

采用合同能源管理运行模式，由节能公司和上海大众合作配置动态无功及谐波治理装置加晶闸管投切式电容器组进行无功补偿及谐波治理并且对中线电流的谐波分量有补偿能力。补偿前、后系统侧各次谐波电流对比表见表4至表7。

由表4至表7所示，电流波形比补偿前有明显改善，其中，A、B、C相电压总畸变率分别由4.2%，4.4%，4.3%降低到1%以下，电流总畸变率分别由29.8%，28.7%，30.5%降低到4%以下，补偿后电压、电流相位基本相同，功率因数在0.95以上。

此外，对于上海大众汽车某厂车间而言，配置动态无功补偿和谐波治理装置能降低变压器损耗，提高基波功率因数，改善10/0.4 kV电网的电能质量。采用合同能源管理模式治理方案，由节能公司及大众双方共同出资，并由节能服务公司负责项目的组织实施，社会大众汽车某厂负责项目的设备使用，项目投资四年可全部回收。

3.3 居民案例的改善

本项目对居民案例采用了动态无功补偿及谐波治理装置加电容器投切补偿的改善措施，针对性的采用供电企业治理模式，节能降耗方面取得了明显效果，如表8所示。

表8 设备投运前后数据比较

由表8可知，安装动态无功功率补偿和谐波治理综合装置，能够有效滤除系统谐波电流和动态补偿无功功率；滤除后系统谐波电流总畸变率小于5%，谐波电压总畸变率也得到明显降低，改善了系统电能质量；补偿后系统功率因数从原有0.95左右，提高到0.98左右，明显提高了系统运行功率因数。

表4 补偿前、后系统侧各次谐波电流(A相)对比表

表5 补偿前、后系统侧各次谐波电流(B相)对比表

表6 补偿前、后系统侧各次谐波电流(C相)对比表

表7 补偿前、后系统侧各次谐波电流(N相)对比表

3.4 商业案例的改善

对商业案例采用了动态无功补偿及谐波治理装置加电容器投切补偿的改善措施，在节能降耗方面取得了明显效果。

(1)治理前谐波测量情况统计。实测结果表明,该办公建筑谐波含量高,以3次倍数谐波为主；由于3次倍数谐波电流的叠加,中性线电流非常大。

(2)治理后谐波测量情况统计。滤波装置投运前系统总电流波形畸变严重，电流总谐波畸变率 THDI为l5%，电压总谐波畸变率THDV为 10%。 滤波装置投运后系统总电流波形畸变得到了明显改善，电流总谐波畸变率THDI下降到1.5%，电压总谐波畸变率THDV下降到1.0%。

4 结语

目前上海电网低压侧配电站内配置的传统电容器投切型无功补偿设备，由于谐波影响等，不能正常使用，这既造成设备投资浪费，又无法解决功率因数偏低的问题。同时谐波污染的问题也一直没有很好的治理措施。本文将采用先进技术的动态无功及谐波治理设备来设计治理方案，并结合现场实际运行，以分析动态无功及谐波治理设备在低压侧的技术可行性、运行效果、效益产生，为今后上海电网典型低压侧的无功及谐波治理设备的选型提供参考依据。