治理諧波污染，提高電能質(zhì)量的探索

陳茜，李鳳剛

(成都電業(yè)局，四川成都 610021)

電能作為當今社會應(yīng)用最為廣泛、便利與潔凈的能源，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與居民生活中處于不可替代的地位。隨著科學技術(shù)和國民經(jīng)濟的日益發(fā)展，一方面，用電負荷日趨復雜和多樣化，尤其是電力電子變流器的廣泛使用，大量具有非線性、諧波豐富、沖擊性和不平衡特征的負荷給電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來了諧波污染;另一方面，用戶對供電可靠性的要求越來越高，眾多基于計算機、微處理器控制的精密電子和電力電子裝置在電力系統(tǒng)大量應(yīng)用，對供電質(zhì)量的敏感程度越來越高，用戶對電力供應(yīng)的關(guān)注目光將逐步由可靠性需求更多地轉(zhuǎn)向電能質(zhì)量需求，電能質(zhì)量問題已越來越受到電力部門和電力用戶的共同關(guān)注。對電網(wǎng)側(cè)而言，建立一套嚴密有效的諧波監(jiān)督防范體系已成為供電部門共同關(guān)注的重要課題。

1 保證電能質(zhì)量是供電企業(yè)的責任

1.1 新型負荷高速增長對電網(wǎng)電能質(zhì)量管理提出了更高的要求

《電力法》規(guī)定:“供電企業(yè)應(yīng)當保證供給用戶的供電質(zhì)量符合國家標準。對公用供電設(shè)施引起的供電質(zhì)量問題應(yīng)當及時處理。用戶對供電質(zhì)量有特殊要求的，供電企業(yè)應(yīng)當根據(jù)其必要性和電網(wǎng)的可能，提供相應(yīng)的電力。”

近年來，隨著地方經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展與招商引資成果的不斷擴大，地區(qū)電網(wǎng)中冶煉、化工電解、大功率變頻調(diào)速及交直流電焊設(shè)備等負荷高速增長，與此同時一些高新技術(shù)企業(yè)設(shè)備中對電能質(zhì)量十分敏感的用電負荷也日益增多，對當前電力部門的電能質(zhì)量監(jiān)控與管理提出了更新更高的要求，如果不對此引起高度重視并采取有力措施，供電部門今后承擔的法律責任與風險將會加大。搞好諧波監(jiān)督管理，對保證電網(wǎng)和用戶設(shè)備的安全、可靠、經(jīng)濟運行，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)服務(wù)以提升供電企業(yè)的形象具有十分迫切的現(xiàn)實意義。

1.2 保證和提高電網(wǎng)電能質(zhì)量是供用電雙方的責任

毋庸置疑，惡劣與超標的電能質(zhì)量將給電網(wǎng)設(shè)備及用電設(shè)備帶來不容忽視的危害，直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行及用戶設(shè)備的正常生產(chǎn)。正本清源，公用電網(wǎng)諧波污染的來源除了不同電壓等級之間的諧波滲透與傳遞外，可歸結(jié)為輸配電設(shè)備及大量用電設(shè)備的非線性特性，而其中主要是各類非線性用電設(shè)備的諧波電流注入電網(wǎng)所致，因此，保證和提高電網(wǎng)電能質(zhì)量應(yīng)當是供用電雙方的責任。但就目前的現(xiàn)狀而言，供電公司無疑承擔著電網(wǎng)供電質(zhì)量的主要管理責任，供電企業(yè)的諧波管理首先應(yīng)當在摸清地區(qū)電網(wǎng)諧波污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，積極開展諧波技術(shù)監(jiān)督與全過程專業(yè)化管理。此外，必須抓住源頭，在供用電合同中針對諧波污染源用戶完善有關(guān)補充條款、明確相關(guān)責任是供電企業(yè)在諧波管理中取得主動權(quán)的有力手段。

1.3 圍繞諧波源及敏感負荷實施監(jiān)督管理

諧波作為電能質(zhì)量的一項重要指標，長期以來一直受到供電公司的重視。以蒲江供電公司為例，歷年來，通過不斷完善、修訂與深入貫徹諧波管理制度、強化落實管理職責與實施流程管理，地區(qū)電網(wǎng)諧波管理已逐步走向規(guī)范化。通過對蒲江地區(qū)非線性用戶建立臺賬與分類統(tǒng)計，目前的主要諧波源集中在冶煉、化工、電子、機械等行業(yè)，具體統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 蒲江地區(qū)電網(wǎng)非線性負荷用戶情況統(tǒng)計表

蒲江地區(qū)近年來接入了較多的中頻爐用戶，對電網(wǎng)影響也較大。中頻爐利用感應(yīng)渦流原理進行煉鋼，通常將工頻進行整流，再逆變?yōu)閹装俸掌澋慕涣魇褂谩Ｖ蓄l爐與交流電弧爐相比，具有體積小、效率高的特點，頗受私人投資者青睞。但中頻爐產(chǎn)生諧波量值較大，當中頻爐采用6脈整流時，主要產(chǎn)生5，7，11，13次諧波，而一般變電站多采用6%串抗的電容器組，雖然不會引起母線諧波電壓放大，但由于流入電容器的5，7次諧波量較大，使電容器電流總諧波畸變率較大，從而造成電容器組故障率較高，包括電容元件和串聯(lián)電抗器，用戶自身也遭受損害。

此外，開發(fā)區(qū)等一些自動化程度較高、工藝要求嚴格的敏感用戶也逐步增加，其負荷敏感特性對電網(wǎng)電能質(zhì)量有較高的要求。對于大型諧波源負荷，蒲江供電公司幫助用戶側(cè)落實諧波治理措施，通過建立實時監(jiān)控手段，防止其向電網(wǎng)注入超標諧波;對于敏感源用戶，在供電方式及技術(shù)措施上予以保障，確保向各類用電用戶提供符合國家標準規(guī)定的合格電能產(chǎn)品;對于在暫態(tài)電能質(zhì)量方面有特殊要求的用戶，蒲江供電公司針對用戶設(shè)備的具體情況，積極提供技術(shù)方案供用戶選擇。

2 建立完善的諧波監(jiān)督防范體系是實現(xiàn)電網(wǎng)諧波規(guī)范化管理的保證

2.1 根據(jù)諧波管理辦法，有效開展地區(qū)電網(wǎng)諧波技術(shù)監(jiān)督

蒲江供電公司對諧波源的管理堅持貫徹預防與治理相結(jié)合、重在預防的方針，堅持誰污染誰治理的原則。一方面，嚴格審查管理新建諧波源，從用電申請流程上把好諧波源用戶業(yè)擴增容環(huán)節(jié);另一方面，對諧波超標的客戶，由營銷部門主動溝通，簽訂諧波治理協(xié)議，積極實施整改。通過對各類非線性用電設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波進行限制管理，將電網(wǎng)各級諧波水平控制在國家標準允許的范圍。

蒲江供電公司在2000年即制定了有關(guān)諧波專業(yè)管理制度，專門成立了以總工程師為首的諧波技術(shù)監(jiān)督管理網(wǎng)絡(luò)。2003年，在組織地區(qū)電網(wǎng)諧波普測分析的基礎(chǔ)上，重新修訂了《蒲江供電公司諧波監(jiān)督管理實施細則》，規(guī)范并明確了生技、營銷、調(diào)度、運行等部門的管理職責與分工。目前公司諧波歸口管理部門為生產(chǎn)技術(shù)科，負責組織電網(wǎng)諧波的監(jiān)測與分析、組織消諧濾波方案的專項審查驗收、督促檢查抑制電網(wǎng)諧波措施的落實。

2.2 理順內(nèi)部流程，抓住諧波管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

根據(jù)目前業(yè)擴流程規(guī)定，諧波源用戶申請新建或擴建項目時，要求提供與諧波注入量有關(guān)的設(shè)備技術(shù)資料，并委托進行諧波影響評估。在確定諧波源用戶的供電方案時，要求用戶提供其用電設(shè)備對公用電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的分析評估報告，在諧波注入量超標的新設(shè)備投運時，應(yīng)同步采取諧波治理措施，能否投運以實測諧波數(shù)據(jù)為準，否則由用戶繼續(xù)實施治理，直到諧波注入量滿足國標要求為止。此外，在與用戶簽訂供用電合同時，統(tǒng)一在合同中特別注明:因諧波超標而造成電網(wǎng)或其他用戶的損失，應(yīng)當由諧波源用戶負責賠償，并要求對諧波超標情況限期整改。由于諧波管理是一項“兩頭在外”的綜合性工作，除了按照《蒲江供電公司諧波管理實施細則》所明確的各部門分工各司其職，對生技部門而言，牢牢抓住諧波源用戶業(yè)擴初步設(shè)計與濾波工程實測驗收這兩個重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)諧波監(jiān)督全過程管理、有效把好諧波源入網(wǎng)關(guān)的成功關(guān)鍵。

2.3 有針對性、有重點地開展諧波實測

蒲江電網(wǎng)的諧波現(xiàn)場測試工作目前由計量中心負責實施，通過組織諧波測試技術(shù)培訓和請四川電力試驗研究院的專業(yè)技術(shù)人員進行地區(qū)電網(wǎng)諧波測試與分析工作。通過建立完善的用戶基礎(chǔ)資料及諧波數(shù)據(jù)庫檔案，將本地區(qū)新增非線性電力用戶全部納入諧波監(jiān)督管理的范疇。通過對重點大型諧波源用戶實施定期監(jiān)測，對發(fā)現(xiàn)諧波超標的用戶實施及時將報告與分析意見交營銷科處理。

2.4 諧波管理實時化與網(wǎng)絡(luò)化

電網(wǎng)諧波畸變率是表征電網(wǎng)電能質(zhì)量的指標之一，為開展電網(wǎng)監(jiān)測診斷分析、動態(tài)跟蹤掌握地區(qū)電網(wǎng)公共聯(lián)接點(PCC 點)諧波變化、為制定諧波治理措施提供依據(jù)。蒲江供電公司先后選擇壽安變電站等重點諧波源用戶接入點，建立了4個諧波在線監(jiān)測點，初步形成了地區(qū)電網(wǎng)諧波在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對部分重點諧波源用戶的實時監(jiān)控。通過在線監(jiān)測點所在變電站安裝在線電能質(zhì)量監(jiān)控單元以及光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，動態(tài)統(tǒng)計電網(wǎng)母線諧波電壓指標及重點用戶供電線路注入電網(wǎng)的諧波電流含量，為諧波專業(yè)管理部門提供詳細的電能質(zhì)量實時數(shù)據(jù)。

2.5 規(guī)范電網(wǎng)側(cè)的諧波分析評估，抓好電容器的運行管理

在一定的電網(wǎng)諧波背景下，電容容抗、電抗器感抗以及系統(tǒng)電抗可能在特定的諧振條件下造成諧波放大，從而影響電網(wǎng)設(shè)備的正常可靠運行。2005年，通過研究分析110 kV 金馬變電站諧波背景，組織分不同工況進行了3次現(xiàn)場諧波測試并進行了專題分析，對電容器支路及電抗器參數(shù)進行了選擇設(shè)計與仿真計算，結(jié)合金馬變電站改造安排同步實施，確保了該變電站投運后將電網(wǎng)各級母線諧波水平控制在國家標準以內(nèi)，保證電容器設(shè)備正常可靠運行，發(fā)揮無功補償效果。

對于電網(wǎng)中運行的電容器組，做好了運行管理及故障原因分析，重點預防了因諧波超標引起的電容器損壞。此外，對于運行中的組架式電容器組，一旦出現(xiàn)單組熔絲熔爆及單組電容器損壞，對三相減容后的電容量必須重新進行核算，以防止諧振頻率逼近諧振點造成諧波放大。

3 有效治理諧波是改善電網(wǎng)諧波污染水平的決定性因素

3.1 預防性措施

3.1.1 加強電網(wǎng)和電源的建設(shè)，合理地安排運行方式，增強對諧波的抵御能力

堅強的電網(wǎng)是保證供電電能質(zhì)量的基礎(chǔ)，目前蒲江地區(qū)正在積極進行的主網(wǎng)建設(shè)及兩網(wǎng)改造、增加新電源，都將使供電可靠性和電能質(zhì)量得到提高。

3.1.2 把好變電站無功補償電容器的設(shè)計關(guān)，防止電容器諧波放大

在變電站無功補償電容器設(shè)計時，應(yīng)考慮背景諧波及可能接入負荷的性質(zhì)，合理選擇串聯(lián)電抗率及分組容量并進行諧波計算校核，防止電容器諧波放大。對于背景諧波較大的變電站，可以考慮將電容器設(shè)計成濾波器兼無功補償，在其投產(chǎn)時進行電容器各種組合方式的諧波測試，以驗證電容器設(shè)計的合理性。當發(fā)現(xiàn)有明顯諧波放大時，應(yīng)向設(shè)計單位提出并進行整改，以避免給日后電容器的安全運行埋下隱患。

3.1.3 對用戶進行必要的用電和生產(chǎn)指導

根據(jù)預測評估結(jié)果指導用戶用電設(shè)計，例如提高用戶供電電壓等級，改變接線方式，如將6脈整流變組合成12脈整流;無功補償電容器參數(shù)合理設(shè)計、采用自動投切控制方式;改進生產(chǎn)工藝，在一定程度上減小用戶對電網(wǎng)電能質(zhì)量的干擾。

3.1.4 堅持新諧波源用戶投產(chǎn)時消諧濾波裝置必須同步投運的原則

嚴格執(zhí)行諧波管理實施細則，在規(guī)劃、設(shè)計、營銷、運行等環(huán)節(jié)落實各部門管理職責，抓好每一個諧波源用戶工程的初設(shè)審查與投運驗收，實現(xiàn)諧波源接入系統(tǒng)的閉環(huán)管理。2008年，在諧波污染用戶東駿激光接入系統(tǒng)工程中，蒲江供電公司針對其4臺大容量中頻爐技術(shù)參數(shù)與特點，明確要求用戶同步設(shè)計消諧濾波技術(shù)方案，并組織了消諧濾波技術(shù)方案的審查。通過對用戶消諧濾波工程的全過程監(jiān)督，并在用戶正常投產(chǎn)后組織進行最大負荷24 h 諧波現(xiàn)場實測驗收，實現(xiàn)了諧波源接入系統(tǒng)的閉環(huán)管理，做到了在諧波源設(shè)備投運的同時用戶的消諧濾波裝置同步投運，成功把好了諧波源入網(wǎng)關(guān)。

3.2 補救性措施

3.2.1 安裝各種電能質(zhì)量治理設(shè)備以及對用電設(shè)備接線、控制方式進行必要的改造

對存在多干擾源用戶可以考慮采用在變電站進行集中治理的措施。對典型用戶可提供典型治理方案推薦，采用單調(diào)諧加高通濾波器治理諧波效果較好，其成本較低，用戶容易接受，但其消諧效果易受系統(tǒng)運行方式影響，且不能解決負序不平衡和閃變問題。綜合解決電能質(zhì)量問題且技術(shù)成熟的是SVC 靜止補償裝置。隨著對電能質(zhì)量控制及治理原理研究的不斷深入，以及電力電子器件及控制技術(shù)的不斷完善和提高，有源濾波、靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢復器等先進技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。

在實施諧波治理措施后，供電部門要及時組織對諧波治理工程進行驗收和效益評估。必要時可召開現(xiàn)場會或組織參觀，以便在同類行業(yè)中推廣。要建立和諧的供用電關(guān)系，這是諧波治理的基礎(chǔ)。

3.2.2 通過細致的宣傳與溝通，促進老諧波源用戶實施治理

原有的諧波含量超標的老用戶是諧波治理工作的難點。由于這些用戶投運時間較長，且往往企業(yè)經(jīng)濟效益不佳，因此其落實諧波治理的主動性不夠。蒲江供電公司根據(jù)諧波污染對電網(wǎng)造成的影響，分別出具了詳細的諧波測試數(shù)據(jù)與分析報告，站在用戶的角度，綜合考慮用戶長遠經(jīng)濟利益的平衡，積極主動地推薦消諧改造方案，通過宣傳有關(guān)規(guī)章制度，明確雙方的義務(wù)與責任，補充簽訂諧波治理協(xié)議，督促其及早實施整改;對于諧波污染嚴重且不配合治理甚至因消極拖延對電網(wǎng)安全運行造成危害的用戶，必要時考慮依照《電力法》采取停限電措施。

3.2.3 加強對電能質(zhì)量干擾源用戶的管理

應(yīng)建立新電能質(zhì)量干擾源用戶的報裝及接入流程，包括預測評估、治理設(shè)計、供電協(xié)議明確責任、投產(chǎn)驗收測試、在線監(jiān)測管理及評估，并實行閉環(huán)管理，防止先污染、再治理。對已接入電網(wǎng)的老用戶，供電部門應(yīng)依據(jù)相關(guān)的法規(guī)和政策要求其限期整改;對拒不整改的用戶應(yīng)考慮采取安裝諧波保護或限電等措施。

應(yīng)建立、健全包括主接線、設(shè)備參數(shù)、用電方式等詳細內(nèi)容的電能質(zhì)量干擾源技術(shù)資料庫，積累治理的技術(shù)資料。應(yīng)研究探討采取經(jīng)濟杠桿促使用戶治理的對策。

3.2.4 加強宣傳和培訓

要重視與用戶協(xié)調(diào)，爭取用戶的支持合作。可通過走訪用戶、舉辦電能質(zhì)量講座等形式，普及電能質(zhì)量知識，提高用電意識，提高用戶對電力系統(tǒng)的了解及電能質(zhì)量問題的認識，加強與用戶的溝通，改善與用戶的關(guān)系，建立雙贏的供用電關(guān)系。此外，還應(yīng)做好與用戶的溝通工作，積極宣傳相關(guān)的法規(guī)政策，明確雙方的責任和義務(wù)，為用戶提供治理措施或途徑，本著互利互惠的原則，推動治理的開展，減少用戶諧波電流的注入，達到提高電能質(zhì)量的目的。

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步，對電能質(zhì)量敏感的高新技術(shù)用戶越來越多，用戶的用電意識將越來越高。諧波治理是綜合治理過程，是改善電能質(zhì)量的重要手段。應(yīng)將對電能質(zhì)量干擾源的防治上升到營造綠色環(huán)保電網(wǎng)的高度，這項工作任重道遠，需要得到政府和社會的認可和支持，需要得到干擾源用戶的配合。作為電力企業(yè)，要為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，而提供可靠優(yōu)質(zhì)的電力應(yīng)當是優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重要內(nèi)容。

［1］George J.Wakileh.徐政，譯.電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［2］王兆安，楊君，等.諧波抑制和無功功率補償(第2版)［M］北京:機械工業(yè)出版社，2006.