企业级配电网络谐波计算面临的问题和解决方案

王名洲

（中国寰球工程有限公司北京分公司）

0 引言

近年来，在企业级电力网中，非线性负载的逐渐增加成为世界范围内的共同趋势，如采用变频器驱动的卷扬机、泵、风机等。重要负载所用的不间断电源（UPS）、直流电源、电力电容器、中频电炉、大量的LED光源照明设备，以及大功率的变频空调暖通设备，作为非线性负载工作时都会产生大量的谐波电流和谐波电压。

电力系统中谐波的存在会引起各种问题，包括设备过热、功率因数降低、电气设备性能恶化、保护继电器的错误动作、对通信设备的干扰等，在某些情况下，电路谐振会导致电气设备绝缘失效和其他类型的严重损坏。

更糟糕的是，一个区域产生的谐波电流可以穿透电网并传播到其他区域，从而导致整个系统的电压和电流畸变。由于电力系统中电子器件和设备的使用越来越多，这一现象已成为电力系统质量的一个主要问题。然而，盲目增加滤波设备会大幅增加项目投资，增加变电站面积，并会增加后期操作人员使用及维护难度，因此，精确地计算和分析工厂电力系统中的谐波含量变得非常重要。

1 电网谐波计算的主要问题

目前，对于新建的工程项目，电网的谐波量和谐波影响一般采用估算法判断，如根据谐波源容量占变压器容量的比例来估算系统的谐波含量是否超标。由于这类估算方法不够精确，因此在设计时一般采用加大保险系数来保证系统的谐波电压畸变率和电流畸变率可以满足相关标准的要求，从而造成一次性投资增高。同时，由于滤波系统设计不准确，电网运行过程中还会经常发生断电、跳闸等问题，影响正常生产，严重的还会影响安全生产。特别是炼油化工厂，由于介质高温、高压，生产条件要求极其严格，若突然跳闸、断电，后果会很严重。

谐波影响的计算和分析是进行滤波系统设计的基础。现有的ETAP软件（美国OTI公司研发的电气系统仿真计算软件）广泛应用于国内外工程项目中的电力网络计算，其谐波计算方法符合国际 IEC（国际电工委员会）标准。但是，在项目实际执行过程中，系统的谐波分析计算需要根据各个应用设备手动输入电气设备的相关信息，如电气负荷情况、电缆情况，同时也需要手动输入各种设备谐波数据，建模工作量大、繁琐。另外，录入收集工作受各产品供应商限制，设计人员往往较难完成，而利用典型数据库往往造成计算结果偏离，无法用来设计相应滤波系统和达到预期效果。

以美国福陆公司PMT（项目管理组织）的《沙特磷矿项目》为例。该项目属于矿山建设工程，因使用大量的变频调速电动机，会产生超标的谐波电流和电压。若采用以往估算的办法对系统的谐波含量进行估算，并按照估算结果设计滤波系统，则需要采购大量有源滤波设备，这将造成极大的浪费，此种做法不符合科学合理的设计理念。因此，设计《沙特磷矿项目》电源滤波系统时，在 ETAP软件的基础上开展了谐波计算研究。

2 谐波计算软件研究

2.1 研究内容

主要开展三方面研究：一是建立电气 ACCESS（Microsoft关系数据库管理系统）数据库，存储各种电气设备基本数据，包含谐波数据；二是开发数据导入接口；三是利用 VBA（Visual Basic for Applications语言）对ETAP计算结果进行二次数据分析，生成谐波分析报告。

首先，利用ACCESS建立谐波数据库架构。根据项目情况，依据供货商提供的由权威谐波鉴定机构证明的资料，采集相应电气设备可能产生的1次至50次谐波数据，建立包含谐波数据的ACCESS数据库。

其次，进行 ETAP软件与该项目电气数据之间传输的接口设置，将该项目中的数据资料导入到ETAP中进行谐波计算。

最后，将 ETAP计算出的数据结果导出进行二次分析，包含计算系统支路谐波电流，并与 IEC、IEEE（美国电气和电子工程师协会）标准值比对，生成谐波分析报告，并绘制相关图形。

2.2 执行标准

谐波计算软件主要执行下列相关标准：

IEC TR 61000-2-5—2017《电磁兼容性（EMC）-第2-5部分：环境-电磁环境的描述和分类》；

IEEE Std 519—2014《IEEE推荐的电力系统谐波控制的做法和要求》；

GB/T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》。

2.3 谐波计算软件功能模块与逻辑关系

在研究过程中发现，很多情况下谐波电压畸变率满足相关标准要求，但是谐波电流超标；或者母线谐波电流畸变率满足标准要求，但是支路谐波电流超标。因此，对该项目在原有基础上进行了二次分析，可以详细查看各个支路谐波电流超标情况，以便于在超标的支路上配置小型调谐滤波器。

二次开发的谐波计算软件主要包含三部分模块：一是电气设备参数导入模块，主要有电动机参数导入功能、动力电缆参数导入功能、变频器参数导入功能、变压器参数导入功能、UPS参数导入功能；二是电气谐波参数导入模块，主要有外电网谐波数据导入功能、变频器谐波数据导入功能、UPS谐波数据导入功能、直流电源谐波数据导入功能、LED光源谐波数据导入功能；三是电气计算模块，主要功能有 ETAP谐波数据二次分析、支路谐波电流计算、电气系统并联谐振情况检查、标准比对、定制报告生成、结果波形绘图。软件主要逻辑关系见图1。

图1 谐波计算软件逻辑关系图

3 谐波计算软件特点

该软件的计算过程可以满足IEC和IEEE相关标准对于谐波分析的不同计算要求，既可以计算谐波电压畸变率，也可以计算谐波电流畸变率，而且能实现相间谐波、支路谐波电流的计算。利用计算结果可以检查配电系统当中是否存在并联谐振，并检验调整变压器、滤波器等参数，或更改其他配电方案后并联谐振是否消除，以及是否需要在相应点增加有源、无源滤波设备等。该电网谐波计算软件具有准确、实用、新颖和可拓展的特点。

3.1 准确性

一是从源头上做到准确。目前，国内外同类谐波计算普遍采用典型 IEEE数据模型或少数厂商的典型数据模板作为谐波分析的基础数据支撑，本次计算应用是根据各个项目的实际情况，录入实际谐波源的真实数据，从而获得更准确的计算结果。

二是从过程中做到准确。该软件不仅能够按照IEC TR 61000-2-5—2017《电磁兼容性（EMC）-第2-5部分：环境-电磁环境的描述和分类》中6.2.1-1的计算方法计算总电压谐波畸变率，而且可以按照IEEE Std 519—2014《IEEE推荐的电力系统谐波控制的做法和要求》中6.2.2-1的计算方法计算总、支路电流谐波畸变率，从而根据各个项目的不同执行标准，准确判断谐波水平的达标情况。导入数据满足谐波潮流计算方法的要求，可根据不同电网结构，选择自适应牛顿-拉夫逊法、加速高斯-赛德尔法进行潮流迭代计算，最大迭代次数可达99次，精确度可达0.000 1。

3.2 实用性

在可行性研究或初步设计阶段，可调用软件数据库中已经收集的变频器、UPS、直流电源等谐波元信息，并导入项目相关负荷情况、变压器参数、电缆参数等电气设备信息，快速、准确地进行电气系统谐波影响计算和分析，设计和校核人员可以直观地比较各种方案的利弊。

在详细设计阶段，可以灵活、快速地以厂商订货文件数据替换初步设计计算模型中的数据。待系统中数据准确性逐步提高、完善后，可以校验谐波滤波器的参数设计是否合理，可以通过频率扫描结果检验并联谐振，并允许调整滤波器参数以检查最终结果，检验是否正确配置变压器相移从而调整网络阻抗相角，以及合理选择配置电容器串联电抗器的阻抗百分比等，做到合理设计。

在设备采购阶段，可以在项目初期调用历史相似数据库数据，在不需向供应商咨询参数的情况下，就初步确定所需要的设备参数的准确、合理性。可以录入已完成项目的谐波数据等信息，形成历史资料库，以便提前确定长周期供货的电气设备，如长距离电缆的参数要求，以及如电容器、滤波器配置具体订货参数的准确算定等。

3.3 新颖性

谐波计算软件可以有效提升电气建模、计算的速度，具有自动计算、分析及比对功能；可以分析谐波电压、谐波电流对各电气设备的影响，具有频率扫描功能；可以将高次谐波及间谐波含量录入和计算；可以产生各种图形信息，方便插入计算报告中，使报告更加形象、生动。

3.4 可拓展性

此项应用软件的开发及使用方法可拓展到电气专业的其他计算中。如，利用软件得出并录入的谐波电压含量、总畸变率等数据信息，可进一步为继电保护整定的准确性、合理性提供一定的数据支持。可将电气数据表中的内容批量导入到ETAP中，从而以潮流计算的形式进行更加准确的负荷计算，为设备选型给出快速、准确的依据。可使用软件将电动机、电缆相关信息导入 ETAP模型中，从而在初步设计阶段就能够较为准确地判断大容量电动机的启动状况，以及对系统中各母线电压水平的影响。

4 应用情况

应用该软件完成了“沙特磷矿项目”供配电系统谐波计算，根据计算结果精准地设计了滤波系统，与以往常规估算方法相比，该项目的滤波系统在合理设计且满足相关标准的情况下，节省一次性投资1 000余万元人民币。同时，由于设计精准，有效保证了电网供电质量。目前，该软件还在“尼日尔 I期稳产项目”“太三变电站安全隐患治理工程项目”等国内外多个项目中进行了应用，谐波计算和治理方案得到用户肯定。