住宅小區公用電網的諧波及治理

黃冰心

(南安市電力有限責任公司，福建南安 362300)

0 引言

隨著科學技術的發展和生活水平的不斷提高，日常生活中人們使用的電氣、電子設備越來越多，這些設備和裝置的使用一方面對公用電網的電能質量(power quality)要求越來越高，要求“綠色”、“干凈”的電能;另一方面很多電氣和電子設備對于電網而言是非線性負載，電網中大量非線性負載的接入降低了電網的功率因數，使電網電壓和電流波形發生畸變，影響供電質量。目前，建筑供用電系統產生的諧波已經成為城市公共電網的主要諧波污染源。

近年來，工業供電方面的電能質量問題已得到大量關注，各種諧波抑制措施和其他提高供電質量的措施被廣泛應用。隨著住宅小區公用電網中非線性負載使用數量的增加，住宅小區電網的電能質量問題也開始被重視。

在對住宅小區公用電網的諧波污染源進行了分析和討論的基礎上，總結了住宅小區諧波電流分布情況及由諧波引起的危害，最后給出了常用的諧波治理方法。

1 住宅小區電網的典型諧波源及諧波電流特點

住宅小區公用電網的負荷主要是各種家用電器，如電視機、各種節能燈、電冰箱、洗衣機、微波爐、電磁爐、計算機、激光打印機、充電器以及高層建筑中的空調用壓縮機、大型電梯等，這些電器中都含有非線性元件，當這些非線性元件接入電網中時，會在線路中產生諧波電流，從而引起電壓波形畸變，影響電能質量。所以，人們日常生活中使用的各種家用電器對于電網而言都是諧波源。

住宅小區公用電網諧波電流分布情況有以下特點。

(1)主要是奇次諧波電流，其中以低次3次、5次和7次諧波電流為主。

(2)住宅小區公用電網的非線性負荷具有基波功率因數高、含諧波功率因數低的特點，如家用計算機的基波功率因數可達0.9，但是含諧波后功率因數只有 0.5 ～0.6。

(3)住宅小區公用電網的非線性負荷具有單個負荷用電容量小，但同時集中使用的概率大，導致電網總負荷量大，諧波電流疊加。所以，在晚間的用電高峰時期，諧波含量最高，白天處于低谷，諧波含量最低，也就是說公用電網中諧波電流每日波動較大。

(4)隨著住宅小區用電負荷的季節性波動，諧波大小也隨之變化，夏、冬季節用電負荷大，諧波含量高，春、秋季節負荷小，諧波含量也低。

近年來，建筑供用電系統的諧波日益嚴重，已經成為城市公共電網的主要諧波源。日本有關調查數據表明，電網諧波有40%來自于建筑用電系統。英國曾就諧波電流、對地泄露電流和電壓擾動造成的計算機停機問題進行了統計，他們隨機對45家公共事業、商業和工業用戶進行了調查，結果表明諧波電流造成的公用電網內的停機事故頻率最高，上述三類用戶每年的事故報告在12次以上的超過60%，每年至少一次事故的報告為80%以上。在國內，蘇州供電公司對蘇州工業園區的蘇都花園2號配電所在2008年6月23日21:00晚居民用電高峰時段對電網諧波進行了測試，測試數據表明電網中含有大量的諧波電流，主要為3次、5次、7次和9次，其畸變率分別為19.5%、13.7%、6.7% 和 6.6%，電流總畸變率平均值達到25%，最高達30%。

以上的數據和分析表明，住宅小區公用電網的諧波污染已經非常嚴重，到了不得不治理的程度。

2 住宅小區電網諧波的危害

諧波污染是電網公害，諧波電壓和電流在電網中的存在，將對電網本身以及由該電網供電的用戶都造成很大影響。諧波的危害主要體現在以下幾個方面。

(1)使輸電線路損耗增加，傳輸效率降低;當與電網的系統參數配合不恰當時，可能引起諧波電流的諧振和放大，將產生更大的損耗。

(2)諧波電壓可使電力變壓器的磁滯損耗和渦流損耗增加，變壓器內的絕緣材料承受的電氣應力增大;諧波電流使變壓器損耗增加，諧波較大時可能使變壓器局部過熱、噪聲增大，從而影響電網和供電一次設備的安全運行。

(3)引起系統各類繼電保護和自動裝置誤動作或拒動作。

(4)對系統計量儀表產生影響，造成電能計量的誤差。諧波的存在，一方面增加了電度表本身的誤差;另一方面，諧波源負荷從系統中吸收基波功率，向系統送出諧波功率，而受害的用戶既從系統中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費，而受害的用戶多付電費，造成不公平交易。

(5)住宅小區電網中大量的三次和三的倍數次諧波電流流過中性線，使中性線流過的電流大大增加，甚至可能超過相線的電流。如建筑電氣線路設計時選用的中性線截面較小，則會使中性線嚴重過載而發熱增加，嚴重時絕緣損壞，引起短路和火災。

(6)諧波會產生電磁干擾，影響通信系統，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備。

3 住宅小區公用電網諧波標準

對于諧波電壓，現行國家標準規定，380 V電網諧波電壓總畸變率不得大于5%，其中奇次諧波電壓含有率小于4%，偶次諧波電壓含有率小于2%。

對于用戶注入電網的諧波電流允許值的大小與電網容量和諧波電壓標準有關。標準規定，分配給用戶的諧波電流允許值應保證滿足各級電網公共連接點處諧波電壓在允許值范圍內。而影響各級電網諧波電壓的主要因素有:本級諧波源負荷所產生的諧波;上級電網諧波電壓對本級的傳遞(即滲透);各諧波源同次諧波的相量合成。

關于諧波電流允許值可以采用以下的方法進行計算。

對于380 V系統，給定基準短路容量為10 MVA，在已知電網的第h次諧波電壓含有率以后，可得到電網中第h次諧波電流允許值的大小為

其中，Ih為電網第h次諧波電流允許值;Sk為基準短路容量;HRUH為第h次諧波電壓含有率允許值;UN為額定電壓;h為諧波次數。

對某一個用戶來說，其諧波電流允許值為

Si為第i個用戶的協議用電能量;St為公共連接點的供電設備(或線路)容量;α為相位系數，按表1的數據取值。

表1 相位系數取值表

當公共連接點的短路容量為S'k，與基準短路容量Sk不相同時，諧波電流允許值Ih按式(3)計算。

4 常用的諧波治理措施

諧波治理的基本思路有兩種:一種是主動型諧波治理，這種方式是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，從根本上解決諧波問題，但它僅適用于作為諧波源的電力電子裝置;另一種是被動型諧波治理，在系統中諧波已經存在時采用這種方式，即在系統中裝設單獨的諧波補償裝置來進行諧波治理，所以這種方式可適用于各種情況。

4.1 主動型諧波治理措施

對于主動型諧波治理方式，目前主要采用的方法有以下幾種。

(1)改進電力電子裝置主電路的拓撲結構，如采用由新型全控型器件IGBT等構成的PWM整流電路取代傳統的由晶閘管作為主控元件的相控整流電路。

(2)對于整流電路，增加整流相數，如采用十二脈波整流電路、十八脈波整流電路等。

(3)限制變流裝置的容量。

(4)在電力電子裝置中采用各種先進智能控制技術等，現代控制技術已廣泛應用于電力電子裝置中，如無差拍控制技術、模糊控制、神經網絡控制、滑模控制等。

值得注意的是，以上這些措施雖然可以有效地減少電力電子裝置所產生的諧波含量，但由于它們的非線性，諧波不可能全部消除，所以電力電子裝置中諧波總是存在的。

4.2 被動型諧波治理措施

對于被動型諧波治理方式，常用的方法是安裝無源電力濾波器(passive power filter)和有源電力濾波器(active power filter)。

無源電力濾波器的基本工作原理是:濾波器由電感、電容和電阻組成，它為系統中的諧波電流提供一條低阻抗通道，即濾波器對于諧波電流阻抗接近為零，使諧波電流通過濾波器流出，而不流入電網。只要合理設置濾波器中電感和電容的參數，使濾波器的諧振次數為所需要濾除的諧波次數，則該次諧波通過濾波器時被濾除，系統中該次諧波被消除。無源濾波器具有結構簡單、技術成熟、設備投資較少、運行可靠性較高、維護方便、運行費用較低等特點，得到了廣泛應用。但是其補償頻帶窄，僅能消除特定的幾次諧波，甚至在與系統參數不匹配時可能發生諧振而導致某些次數的諧波放大，補償特性易受電網阻抗和頻率變化的影響。此外，在大容量的情況下無源濾波器的濾波裝置笨重，體積大，損耗多。由于無源濾波器的以上缺點，近年來性能更加優越的有源電力濾波器開始被重視而得到廣泛關注。

有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波的新型電力電子裝置，它的基本工作原理是:濾波器檢測電網諧波電流，根據諧波電流情況，濾波器產生一個大小與諧波電流相同、相位與諧波電流相反的補償電流，與電網中的諧波電流疊加，使疊加后的電網電流只有基波分量。有源電力濾波器克服了無源濾波器等傳統諧波抑制裝置的缺點，能對頻率和幅值都變化的諧波及無功進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，也很難和電網阻抗發生諧振，已成為目前抑制電網諧波最有效的手段。

只是由于目前中國有源電力濾波器價格相對還比較高，而且人們對諧波危害的認識程度還不夠，諧波治理問題還沒有得到足夠高的重視，使得有源濾波器的應用在中國還相對較少。而在日本及歐美國家，有源濾波器的使用已經非常廣泛。

為了解決大容量有源濾波器價格太高問題，同時考慮濾波器在對系統進行諧波抑制時能對系統進行無功補償，目前建筑電氣系統中也常采用無源濾波器+有源濾波器的混合補償方式，可以同時補償無功和抑制諧波，得到更好的補償效果。

5 結語

對住宅小區公用電網的諧波情況及諧波抑制方法進行了討論，提出了防范和治理諧波的措施，以減小諧波對小區電網的影響。建筑系統的諧波治理已經成為不得不重視的問題，減小系統諧波，可以提高電網供電質量，降低系統損耗，達到節能的目的。