電力諧波對電網(wǎng)危害有多大？目前有什么比較有效的治理方法？

作者：西門子中國
來源：知乎
 

從IEC 61000-3-6-2008 及 IEEE519-2014 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為切入點(diǎn)，以規(guī)劃水平和兼容水平為基礎(chǔ)，分析一下電力諧波對電網(wǎng)內(nèi)用電設(shè)備的危害。在此基礎(chǔ)上，區(qū)分諧波治理的責(zé)任方，并簡單談?wù)劄V波電容器這種治理方案以及西門子為減少設(shè)備注入系統(tǒng)的諧波而做的努力。

首先介紹一下 IEC 61000-3-6-2008，Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-6: Limits – Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems。國內(nèi)的 GBZ-17625.4-2000《電磁兼容限值中高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估》基本是對 IEC61000-3-6-1996 的翻譯。

諧波對系統(tǒng)的影響方式分兩類：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)現(xiàn)象是指變流器等諧波源把諧波電流注入到供電網(wǎng)絡(luò)中。輻射現(xiàn)象是引入到通信系統(tǒng)中的諧波電流。正如標(biāo)準(zhǔn)所言「標(biāo)準(zhǔn)的目的在于把供電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的諧波電壓限制到對敏感設(shè)備不造成有害影響的水平（兼容水平）」，我們常見的諧波影響主要針對傳導(dǎo)現(xiàn)象下由諧波電流和阻抗引起的諧波電壓對系統(tǒng)的影響。

這里劃一下重點(diǎn)，電力諧波對電網(wǎng)的危害在于諧波電壓對電網(wǎng)中設(shè)備的影響，即諧波電壓超出了設(shè)備所能承受的水平。關(guān)于超出設(shè)備所能承受水平的具體后果請參見答友

@無功補(bǔ)償李逍遙
@嚴(yán)同-PowerChina
寫的具體危害。本文重點(diǎn)聊一下標(biāo)準(zhǔn)中提到的規(guī)劃水平和兼容水平。

兼容水平可粗淺的理解為同一系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備能夠承受諧波電壓的水平；規(guī)劃水平在標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)說得很明白了，引用 GBZ17625.4 中所說：「是在規(guī)劃時(shí)評估所有用戶負(fù)荷對供電系統(tǒng)的影響所用的水平。供電公司為該系統(tǒng)的所有各電壓等級規(guī)定了規(guī)劃水平，并且規(guī)劃水平可以認(rèn)為是供電公司內(nèi)部的質(zhì)量目標(biāo)?！箖烧叩年P(guān)系如圖 1（源自 IEC61000-3-6 / GBZ17625.4）所示。以河流為例解釋，一條河有一定的容納污染的能力，河流沿岸有若干工廠得到政府許可可以向河水中排污；對于這條河流而言，規(guī)劃水平就是政府認(rèn)定工廠可向河水排污的上限，兼容水平就是河水在一定污穢下仍然可以用于工作和生活。這里河流就是電網(wǎng)，沿岸工廠就是往電網(wǎng)注入諧波的用電設(shè)備。由此可知，規(guī)劃水平應(yīng)該小于兼容水平，即注入系統(tǒng)的諧波上限應(yīng)能滿足用電設(shè)備正常工作的需求。當(dāng)實(shí)際諧波超出規(guī)劃水平時(shí)，如果暫未超出兼容水平，那么用電設(shè)備還能運(yùn)行，如果超出兼容水平，那么設(shè)備會(huì)受到有害影響。

由以上分析可以知道電力諧波對電網(wǎng)的危害在于注入電網(wǎng)諧波電壓超出了設(shè)備的兼容水平，從而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作直至設(shè)備本身受損。

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在此基礎(chǔ)上要考慮的問題就是諧波污染由誰治理、如何治理、以及治理到什么程度，此處就要提到IEEE519-2014 以及國內(nèi)的 GB14549-1993 標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE519-2014《 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems》是目前國際通用的諧波限值界定標(biāo)準(zhǔn)。它主要說明兩件事，一是諧波治理是供用電雙方共同的責(zé)任，二是對系統(tǒng)中諧波的具體限值給了個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。

如前文所引述的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，諧波電壓是造成設(shè)備損壞的主要因素。IEEE 519中規(guī)定的諧波電壓限值就像前文的規(guī)劃水平一樣，是說給供電公司聽的，它需要保證供電網(wǎng)絡(luò)的電壓擾動(dòng)小于接入網(wǎng)絡(luò)的用電設(shè)備的兼容限值；諧波電流限值則是說給用戶聽的，因?yàn)橹C波電流與系統(tǒng)阻抗影響產(chǎn)生諧波電壓，用戶需要確保給系統(tǒng)的騷擾值在電網(wǎng)的規(guī)劃水平內(nèi)。雙方相互影響相互合作，共同構(gòu)建和諧的電網(wǎng)環(huán)境。

像交通事故認(rèn)定書一樣，我們區(qū)分好了各方的責(zé)任，就可以在此基礎(chǔ)上談?wù)勚C波治理了。對電網(wǎng)側(cè)的諧波電壓，由用電公司負(fù)責(zé)， 一般在前期規(guī)劃時(shí)已考慮，不再多說。對用戶端產(chǎn)生的諧波，一種是用戶濾除諧波注入電網(wǎng)的諧波電流，另一種是設(shè)備廠家通過先進(jìn)的科技手段保證注入系統(tǒng)的諧波盡可能的小。

就用戶濾除諧波這個(gè)角度看，當(dāng)前主要的 APF 有源濾波器和 FC 濾波電容器。由于低壓系統(tǒng)阻抗小，設(shè)置濾波電容器時(shí)對設(shè)備精度要求較高，且低壓諧波豐富，所以低壓多用 APF；高壓系統(tǒng)阻抗大，且 APF 造價(jià)過高，多用濾波電容器。

由于之前答友已經(jīng)對濾波設(shè)備做了一個(gè)很全面的介紹，我這里就從濾波電容器這個(gè)我比較感興趣的點(diǎn)上再細(xì)化一下。

濾波電容器采用在并聯(lián)電容器上串聯(lián)一定的電抗器，圖 2（a）是出電力系統(tǒng)的簡化電路圖，圖2（b）為其諧波等效電路。為簡化系統(tǒng)模型，將系統(tǒng)阻抗中的電阻忽略不計(jì)。圖中，箭頭方向表示諧波電流的正方向。定義：系統(tǒng)諧波電流放大系數(shù)Ki=Isn/In ，濾波支路諧波電流放大系數(shù)Ki’=Icn/In。

由理論推導(dǎo)可以得出注入系統(tǒng)的諧波電流放大系數(shù)以及流入濾波支路的諧波電流放大系數(shù)曲線，如下圖所示：

諧波電流放大倍數(shù)曲線的物理意義：
（1）諧波電流放大系數(shù)為正值，表示諧波電流注入系統(tǒng)和流入濾波支路的諧波電流方向?yàn)檎较颍?b>諧波電流放大系數(shù)為負(fù)值，表示諧波電流注入系統(tǒng)和流入濾波支路的諧波電流方向?yàn)榉捶较颍▍⒖挤较蛉鐖D2）。
（2）圖中橙色和紅色區(qū)域?yàn)槿菪灾?，綠色和粉色區(qū)域?yàn)楦行灾?/b>；其意義在于，容性支路可能與系統(tǒng)電抗發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，而感性支路不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，此時(shí)，感性支路主要起分流的作用，即濾波。
（3）在容性支路的紅色區(qū)域?yàn)橹C波電流的極大放大區(qū)，即流入系統(tǒng)和濾波支路的諧波電流均放大；剩余橙色區(qū)域，要么系統(tǒng)的諧波電流放大，濾波支路的諧波電流不放大；要么系統(tǒng)的諧波電流不放大，濾波支路的諧波電流放大。
（4）無源濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)需將諧振點(diǎn)設(shè)置在諧波較小的頻率上，避免諧振點(diǎn)偏移到紅色區(qū)域。

由以上分析可知，只有綠色和粉色的區(qū)域才是濾波，如果跑偏了配到紅色區(qū)域就危險(xiǎn)了，但是工程實(shí)際中很多參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)被忽略，配到諧波放大區(qū)的情況也偶有發(fā)生，同時(shí)工程設(shè)備的偏差會(huì)影響治理效果。所謂成也蕭何敗也蕭何，電容器在系統(tǒng)中是一把鋒利的雙刃劍，配好了能夠分流系統(tǒng)諧波，配不好則會(huì)導(dǎo)致諧波電流放大。

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談到設(shè)備，廠家通過先進(jìn)的科技手段保證注入系統(tǒng)的諧波盡可能的小，這里就不得不自我夸獎(jiǎng)一下——向大家介紹西門子的完美無諧波GH180系列高壓變頻器。傳統(tǒng)的變頻器通常有五個(gè)單獨(dú)的組件，如諧波濾波器、功率因數(shù)校正電路、變壓器、功率變換器和電機(jī)濾波器，但 GH180 變頻器只需要隔離變壓器和功率變換器兩個(gè)主要組件就可以滿足 IEEE519-2014 最嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。

這里提到的標(biāo)準(zhǔn)是指 IEEE519 標(biāo)準(zhǔn)中的Table 2，如下方截圖中黃色部分所示。一般評估諧波限值TDD 時(shí)需要考慮系統(tǒng)短路阻抗 ISC 與用戶注入系統(tǒng)的電流 IL 的比值，比值越大，即電網(wǎng)越堅(jiān)強(qiáng)時(shí)，TDD 限值就越寬松，但是 GH180 系列變頻器承諾在所有系統(tǒng)下均滿足下圖中標(biāo)黃的限值要求。

 

那么西門子 GH180 變頻器采用了什么樣的先進(jìn)科技呢？如圖 4 所示，輸入側(cè)采用移相變壓器技術(shù)消弱電源諧波失真，輸出側(cè)采用西門子的低壓單元串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消弱輸出諧波失真。注入系統(tǒng)的諧波效果對比如圖 5 所示。

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以上是我對該題目的幾點(diǎn)分析，結(jié)尾做個(gè)簡單的總結(jié)：

1. 電力諧波對電網(wǎng)的危害在于諧波電壓對電網(wǎng)中設(shè)備的影響，即諧波電壓超出了設(shè)備所能承受的水平。
2. 供電方對供電網(wǎng)絡(luò)的諧波電壓負(fù)責(zé)，用電方對注入系統(tǒng)的諧波電流負(fù)責(zé)。