諧波網損

諧波網損是指由諧波引起的網路損耗。諧波功率除了供熱用的電熱外，無任何效益，只是以發熱的形式在傳輸過程各環節及用電設備中消耗掉。所以諧波功率實質上就是因諧波而產生的網損—諧波網損。因此正向諧波功率增大了電力系統的網損。諧波除了直接引起網損的增加，還將引起功率因數的降低，從而間接地引起電網損耗的增加。降低諧波網損是電網企業節能減排的應有之義。

基本介紹

• 中文名：諧波網損
• 外文名：Harmonic network loss
• 類型：額外損耗
• 諧波網損管理：電網側管理和用戶側管理
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

大量非線性時變負荷的增加，使注入電網的諧波分量增多，致使系統中電壓、電流波形發生畸變，造成電力系統諧波污染。近年來，隨著電力電子技術的發展和人們生活水平的提高，這種非線性時變負荷增長的速度越來越明顯，如現代辦公樓、商場及家庭中的變頻空調開關式電源、計算機、電了照明器具和整流器等都具有非線性特性，產生很大的諧波網損，對電網的經濟運行不利。2007年我們對河北省滄州地區的部分商場、賓館、辦公樓、居民小區和工業企業等20個諧波測量點進行了實時測量，測量點位置均選在配電變壓器低壓側的出線上，結果表明0.4 kV側的相電流諧波含有量基本都在5.5%~25%，個別監測點達到50%中性線中的諧波含量均在85%以上，個別監測點高達220%。

低壓配電網諧波網損的需求側管理

需求側管理(CDSM)是節能減排、改善環境、應對全球變暖行之有效的手段，也是國家可持續發展的重要戰略選擇。35 kV以下配電網總諧波畸變率CTHD)不超過4%，各次諧波含量不超過3.2%。但是從20個諧波測量點數據分析的結果來看，低壓配電網的諧波污染非常嚴重，諧波網損占總網損的3.6%左右，個別點高達8.0%，其中以3,5,7次諧波最為嚴重，這三種諧波功率之和達到諧波總功率的73.8%~%.3 %，同時在三相四線制的配電網中中性線線損占總網損的比例也較大。如此高的諧波網損對電網的安全可靠運行、節能減排、各種電氣設備的正常運轉以及工作人員的人身安全等都構成了嚴重的威脅，同時按照我國現有的電費管理政策，這部分損耗由供電公司白己承擔，這也是很不公平，因此必須採取必要措施對配電網的諧波網損加以控制和有效管理。

諧波網損管理的技術措施

諧波網損管理的技術措施包括電網側管理和用戶側管理兩個方面。

電網側管理措施

電網側諧波網損管理的措施包括:

1)最佳化電網結構和運行方式，提高供電母線的短路容量.

2)合理配置補償電容器，最佳化運行方式，消除因並聯電容器組的投入而引起某次諧波的放大。

3)選擇具有吸收一定諧波分量的裝置，如美國的EP-2000、上海追日的ZRAF系列、蘇州和順的APF系列和西安賽博的SPA3系列等有源濾波裝置。

用戶側管理措施

用戶側諧波網損管理的措施包括:

1)在每組電容器上串聯電抗器，構成無源電力濾波器，選擇L和C參數時主要兼顧3次和5次諧波的抑制問題。

2)增加變換裝置脈衝數(相數倍增法)來減少整流、換流設備諧波源的含量。

3)諧波源處就近安裝濾波裝置，濾除諧波分量。

4)使用變頻器等產品時，必須選用諧波在國家規定範圍內的合格產品。

諧波網損管理的組織措施

1)加強標準和相關規範的宣傳貫徹。加強對諧波定義、測量及諧波危害宣傳，讓廣大電力客戶明確諧波治理不只是供電部門的責任，白己也應承擔相應的責任，實現互惠互利、節能增效、保證電網和設備安全穩定運行的重要目的。

2)加強巡視和監督。電力部門對所轄電網進行系統分析，正確測量，以確定諧波源位置和產生的原因，為諧波治理準備詳實的原始，做到有的放矢。對電力用戶而言，可以監督供電部門提供的電力是否滿足要求;對於供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產生了超標的諧波污染。

3)嚴格大用戶諧波管理。過去供電部門對於大用戶的用電管理側重於功率因數，對諧波基本上沒有採取任何管理措施。隨著接入系統的非線性時變負荷數量的不斷加大，對於大用戶的諧波管理必須納入供電部門的正常工作中，做好大用戶非線性時變負荷的統計和備案，對其電能質量進行科學的評估，根據國家標準和評估結果計算分配諧波控制指標，明確供用電雙方的義務。

諧波網損管理的經濟措施

制定相關的經濟措施，利用經濟槓桿，達到節能增效的目的。像採取多種電價政策鼓勵企業為實現電網削峰填谷的目的一樣，對於達到規定的諧波標準的用戶，給予一定的優惠措施，反之則給予一定的經濟處罰。

諧波網損的計算

諧波電流在電網中流過時，與同頻諧波電壓產生諧波功率，而諧波功率的產生對電網經濟運行不利。諧波功率除了供熱用的電熱外，無任何效益，只是以發熱的形式在傳輸過程各環節及用電設備中消耗掉。所以諧波功率實質上就是因諧波而產生的網損—諧波網損。因此正向諧波功率增大了電力系統的網損。諧波除了直接引起網損的增加，還將引起功率因數的降低，從而間接地引起電網損耗的增加。

利用網路中裝設的大量監測終端所採集的數據進行配電網理論網損的計算。提出了2種計算配電網理論網損的方法，即迴路電流法和電流電壓法。這2種方法不依賴以對網路的拓撲分析和設備參數，充分利用監測終端的數據，以區段為單位進行理網損的計算。迴路電流法需要TTU的實測數據，計算精確;而電流電壓法僅需要區段首端FTU的實測數據，計算較粗糙。但沒有區分基波網損和諧波網損，並且其計算精度取決於監測終端的數量，如果現場的監測終端安裝數量較少，則套用此方法計算時產生的誤差較大。

配電自動化系統的實際套用情況以及配電網的一些自有特點，利用現場監控單元上傳的三相實時數據，提出一種以饋線段而不是整條饋線為基本計算單元的三相劃分為饋線段，並基於饋線段對段內各個設備進行數學建模，在結合系統實時運行數據的基礎上，不僅可以獲得比舊有方法精確許多的線損計算結果，而且能計算出所有饋線段內各個設備的詳細線損情況，使系統內的線損分布一目了然，有利於運行人員輕鬆方便地進行配電線損分析與計算，為進一步最佳化配網系統提供了有力依據。但同樣沒有區分基波網損和諧波網損，只是籠統的計算了配網的線損，不能夠顯示出諧波對配網線損的影響。而且該方法的套用具有一定的條件限制。

對等值電阻法進行了理論推導，它把配電網路通過元件的有功損耗為通過配電網線路等值電阻和配電變壓器等值電阻所產生的有功損耗，在配電網線路等值電阻和配電變壓器的等值電阻計算出來之後，便可求得在某時段內配電網的電能損耗。等值電阻法是一種成熟的網路損耗計算方法。理論推導及其論述為本課題諧波網損的計算分析提供了很好的借鑑。

配電網損耗理論計算一般採用潮流計算法或等值電阻法進行。前者可以同時得到網內各點的電壓水平，動態地考慮無功投切對損耗的影響，通常用於對規劃中的電網損耗和運行電壓的預測。由於配電網節點多，數據不能被完全採集，故潮流計算法不適用於運行中配電網節能管理的計算。而等值電阻法則完全可以對全網或配網的諧波網損進行估計計算，諧波總畸變率計算諧波網損的方法簡單，以及由於考慮的諧波次數有限可能有些誤差，但是隨著諧波次數的增加，諧波電流甚至遞減到可以忽略不計，由此形成的誤差在允許範圍內。

居民用電所產生的諧波的治理

對於居民用電時間比較集中、季節性強、且諧波中含有大量零序分量的特點[6]，居民用電所產生的諧波治理可以從以下三個方面入手:設計方面;管理方面;技術方面。

1)設計方面。首先要合理規劃供電結構，在進行配網設計時，要儘量詳細的掌握配網的負載情況及諧波源。在低壓配網系統中，將產生諧波的電氣設備接在同一母線上，可以利用諧波的互補作用降低配網中的諧波含量;將不產生諧波的電氣設備接在同一母線，儘量減少諧波對其影響。關於變壓器，為了防止諧波電流引起的過熱，可以使用因數變壓器，該變壓

器的設計基本上是通過改善繞組和降低鐵芯損耗來減少由諧波電流所引起的附加損耗。配網中若有三相整流變壓器，應採用D, ynll接線方式，以最大限度的抑制諧波。另外，在三相系統中，三相負荷功率相等不代表三相平衡，因為負荷的自身特性可能導致三相不平衡和非線性。所以在進行配電設計時，除了使三相負荷功率平衡外，還應考慮各相所帶的負荷性質。

2)管理方面。諧波的治理，需要大量的投資，走共同治理之路。在分清諧波來源基礎上，除了依靠供電部門，還要調動電力供需環節中的各個方面。諧波治理是綜合治理的過程，有明確的規定和要求，是改善供電品質的重要方面。然而許多電力用戶，對諧波的危害沒有足夠的認識，往往認為諧波治理僅僅是電力部門的事情。就此而言，電力管理部門有必要加強

諧波治理方面的宣傳，強調諧波帶來的危害和諧波治理的重性及投資回報。在對諧波準確測量的基礎上，提出適合於用戶的治理方案。

3)技術方面。電力系統諧波的抑制方法可分為預防性和補救性兩大類，而針對居民用戶的特點預防方法效果不大，所以通常使用補救性方法，補救性方法主要是使用濾波器進行濾波。

濾波器分為無源濾波器和有源濾波器。二者之間的本質區別在於:無源濾波器只能濾除特定階次的諧波電流，而有源濾波器是對電網進行實時監測，在檢測到系統諧波的同時向系統注入一組與之相位相反的電流來抵消諧波電流，同時動態補償基波無功功率。其優點是可同時處理多階次諧波，缺點是價格較貴。由於居民用電對電能質量要求相對較低，應儘量避免增設造價過的高設備，以防止對居民產生過高的資金分攤壓力，故採用單調諧濾波器與高通濾器相結合的混合無源濾波方式進行諧波治理。另外還可以通過改變電容器組的安裝位置或調整電容器組的無功出力來治理。在調諧的諧波次數下，電容器和電抗器具有相同的電抗，但是需要特別注意的是電容器應能承受施加在其上的總電壓。然而，隨著電力電子技術的發展，未來濾波的趨勢是採用有源濾波器。有源濾波器可以對頻率與幅度發生變化的諧波進行跟蹤，具有不受阻抗影響的特點，並且避免了出現諧振的危險。目前，以下3個原因限制了其在我國的套用:1)國外同類裝置價格太高;2)人們對諧波危害還沒有足夠的認識;3)國內諧波問題的污染程度還不是特別嚴重。但是，隨著技術的發展有源濾波器的價格會進一步下降，並且未來諧波源將越來越多也越來越多樣化，諧波問題會變得越來越複雜，因此人們對諧波認識也會逐漸加深，所以綜合來看，未來濾波的發展趨勢是有源濾波。

針對絕大多數居民用戶採用的TN-S或TN-C-S的配電方式，由於其存在中性線，零序諧波電流，特別是3次諧波電流在中線上會相互疊加，使得中線電流中的諧波狀況異常嚴重。面對這種狀況，除了適當增加中性線的截面積，降低其帶來的不利影響外，可以在中性線上加裝零序濾波電抗器。該電抗器使用的是LC調諧濾波器的原理，但是無電容拓撲，具有效率高、結構簡單、投資少、運行可靠，不存在諧波放大和失諧等優點。零序濾波裝置在三相四線制城市配電網濾波工程中具有較好的套用價值，可以有效的降低諧波對配電網的危害。

展望

隨著居民生活水平的提高和電力電子技術的發展，居民和商業用電所產生的諧波幾乎成為低壓配電網中主要的諧波增長源。文章通過測量並分析了居民用電中的諧波對於電力系統配電網線損和其它惡劣影響，並在最後給出了治理建議，這對於電力系統降損方案的制定有很好的參考價值。