上海電網低壓側無功與諧波現狀及治理案例研究

徐蕊妍

(上海市安全生產科學研究所，上海 200233)

表1 上海電網低壓側配電站無功補償及諧波治理設備安裝調查表

上海電網低壓側的功率因數普遍偏低，采用力率調節的罰款手段并不能從根本上解決因功率因數偏低而造成的線路損耗問題，同時無功導致的用戶出線電纜末端電壓下降問題也得不到根治。本文對上海電網典型低壓側的無功和諧波情況進行調研并提出治理措施，有利于為大用戶用電咨詢提供依據，對提高供電服務有很大的幫助。

1 上海電網低壓側無功及諧波現狀

目前上海電網低壓側配電站內針對無功污染，配置傳統電容器投切型無功補償設備，但針對諧波污染，無論電業站，還是用戶站，均沒有配置相應的補償設備。

諧波污染也會對電力設備和用戶設備帶來很大的危害。所以對上海電網典型低壓側的無功和諧波情況進行調研和分析，設計并實踐采用新技術和新設備的治理方案，對國網上海市電力公司采用何種技術和管理手段來降低線損，為大用戶用電咨詢提供依據，提高供電服務有很大的幫助。

國網上海市電力公司各供電分公司低壓側配電站無功補償及諧波治理設備的安裝情況如表1所示。

由表1可以看出，上海電網大部分低壓側配電站內配置傳統電容器投切型無功補償設備，而動態無功補償設備、有源電力濾波器(APF)等無功補償效果好，濾波性能好的設備卻未能大量采用或基本未采用。由于諧波影響等，上海電網大部分低壓側配電站電容器投切型無功補償設備不能正常使用，這既造成設備投資浪費，又無法解決功率因數偏低的問題。

為了保障電網的安全和優質供電，國網上海市電力公司自2007年起，經過一期和二期的建設，建立了覆蓋0.4 kV到500 kV電壓等級，擁有近300個專業監測點的電能質量監測系統。通過整合公司已有信息資源，無縫接入了其他系統約3 500個監測點數據，從而成為目前國內外最大的電能質量監測網。

上海電網電能質量監測系統中包含0.4 kV電壓等級的監測點17個，其他系統接入的監測點為29個，涉及居民、商業、工業等典型負荷。國網上海市電力公司市區供電公司諧波調查的監測點均為低壓非工業負荷，在低壓設備受電端無功補償設備大部分為電容器投切型無功補償設備，由于電容器投切型無功補償設備響應時間過慢，并未采取諧波濾除措施。因此，低壓設備產生的電壓波動、閃變、諧波通過供電公司低壓配電系統，進而影響上級電網。若要徹底阻斷低壓設備產生的諧波流向上級電網，必須安裝諧波濾除裝置。而市區供電公司反映的僅僅是上海電網的一小部分低壓配電站，為保證上海電網的安全穩定運行，應在上海電網全面推廣無功補償及諧波治理裝置。

近年來, 上海電網負荷增長迅猛, 日趨復雜、多樣化，建議采用先進的動態無功及諧波治理設備來設計治理方案，以分析動態無功及諧波治理設備在低壓側的技術可行性、運行效果、效益產生，為今后上海電網典型低壓側的無功及諧波治理設備的選型提供參考依據。

2 上海電網低壓側無功及諧波治理模式

2.1 治理模式

電力系統存在大量的無功負荷，使電力系統在傳輸有功功率的同時輸送大量的無功功率，造成線路電壓損失加大和有功損耗增加，降低系統的功率因數，使電網的供電質量惡化。低壓電網是電力網末梢，電壓低傳輸同樣的電能造成線路電壓損失要高于高電壓網絡，因此加強對低壓供配電網無功補償，保持無功平衡，對于保證電能質量，降低配電網損耗，提高配電網的輸送能力和設備利用率具有重要的作用和意義。

配電網無功補償應遵循“全面規劃，合理布局，分級補償，就地平衡”的基本原則，按照變電站的配電臺區集中補償，用戶終端就地分散補償和配電線路分散補償的原則，實現無功功率的分級平衡。

按照治理策略的不同，主要分為供電企業治理、用戶治理以及能源合同管理。

2.2 運營模式

2.2.1供電企業治理模式

(1)供電企業治理模式主要是針對輸電網的無功平衡，在配電網變壓器380 V側進行集中補償，是普遍采用的一種模式。在此模式下，補償裝置可以采用新型動態無功及諧波治理裝置，根據用戶負荷水平的波動，投入補償裝置自動進行跟蹤補償。

(2)在配電系統中，除了專用變壓器外，還有許多公用變壓器，公用變壓器通常安裝在戶外的桿架上，并且負荷率普遍較低，如果在每臺公用變壓器上安裝無功補償裝置，就會造成設備投資大，利用率低，經濟性差，并且難于維護、控制和管理。

(3)當380 V低壓配電線路較長且負荷較重，而且只對大容量負荷就地補償時，線路中仍有大量的無功功率在流動，使低壓配電網線損及電壓損失較大。為了減小線損及電壓損失，可采用在低壓線路上進行無功補償。

如果以減少線路有功損耗作為優化目標，可采用經典優化模式“三分之二法則”，作為低壓配電線路無功優化補償的基本模式，即單點補償地點選在離線路首端2/3處，補償容量為無功負荷的2/3。

2.2.2用戶治理模式

用戶治理模式是指將無功補償或諧波治理裝置直接裝在用電設備附近，與用電設備并聯，對電動機等用戶負載就地補償。

與其他方式相比，優點是能減少線損和電壓損失，改善電壓質量，提高線路供電能力。缺點是低壓無功補償通常按配電變壓器低壓側最大無功功率需求來確定安裝容量，而各配電變壓器負荷波動的不同時性造成了大量電容器在輕載時的閑置，設備利用率不高。

2.2.3能源合同管理模式

能源合同管理模式是適應“十一五”節能規劃要求而產生的國內較新型的能源管理模式。與傳統的能源管理和節能改造模式相比，能源合同管理是一種市場機制，達到項目節能減排的社會效益目標的同時，還能為合同雙方帶來經濟效益。

目前，美國的能源合同管理較為普遍采用的是保證節能收益的合同方式，合同中規定了能源服務公司為客戶實施節能項目后必須達到的節能收益指標；如果沒有達到，能源服務公司必須對未完成的合同內容進行賠償。

在中國，能源合同管理模式尚處于起步階段。能源服務公司尚未建立起足夠的商業信譽，也缺乏良好的經營業績，所以較難獲得客戶的信任；另一方面，外部環境也不完善，不僅企業無功補償的認識需要再提高，對于相關的法律體系也尚未完善，還需要統一的無功補償的測試、驗證標準以及對完成無功補償目標企業的政策支持。

3 上海電網低壓側無功及諧波治理案例

3.1 工業案例

對工業案例(某塑膠企業)采用了動態無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償方式的改善措施，在節能降耗方面取得了明顯效果。

治理前諧波測量情況統計見表2。

表2 治理前諧波測量情況統計

治理后諧波測量情況統計見表3。

表3 治理后諧波測量情況統計

表3中,電壓總諧波畸變率THDU=2.33%，小于國家標準GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》中電壓總諧波畸變率THDU<5.0%的規定。奇次諧波電壓含有率也小于規定。功率因數由原來的0.60～0.80提高到0.98左右，電流波形基本接近于正弦波，大大降低了畸變率，整個治理達到了滿意的效果。

3.2 上海大眾汽車某廠車身車間

采用合同能源管理運行模式，由節能公司和上海大眾合作配置動態無功及諧波治理裝置加晶閘管投切式電容器組進行無功補償及諧波治理并且對中線電流的諧波分量有補償能力。補償前、后系統側各次諧波電流對比表見表4至表7。

由表4至表7所示，電流波形比補償前有明顯改善，其中，A、B、C相電壓總畸變率分別由4.2%，4.4%，4.3%降低到1%以下，電流總畸變率分別由29.8%，28.7%，30.5%降低到4%以下，補償后電壓、電流相位基本相同，功率因數在0.95以上。

此外，對于上海大眾汽車某廠車間而言，配置動態無功補償和諧波治理裝置能降低變壓器損耗，提高基波功率因數，改善10/0.4 kV電網的電能質量。采用合同能源管理模式治理方案，由節能公司及大眾雙方共同出資，并由節能服務公司負責項目的組織實施，社會大眾汽車某廠負責項目的設備使用，項目投資四年可全部回收。

3.3 居民案例的改善

本項目對居民案例采用了動態無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償的改善措施，針對性的采用供電企業治理模式，節能降耗方面取得了明顯效果，如表8所示。

表8 設備投運前后數據比較

由表8可知，安裝動態無功功率補償和諧波治理綜合裝置，能夠有效濾除系統諧波電流和動態補償無功功率；濾除后系統諧波電流總畸變率小于5%，諧波電壓總畸變率也得到明顯降低，改善了系統電能質量；補償后系統功率因數從原有0.95左右，提高到0.98左右，明顯提高了系統運行功率因數。

表4 補償前、后系統側各次諧波電流(A相)對比表

表5 補償前、后系統側各次諧波電流(B相)對比表

表6 補償前、后系統側各次諧波電流(C相)對比表

表7 補償前、后系統側各次諧波電流(N相)對比表

3.4 商業案例的改善

對商業案例采用了動態無功補償及諧波治理裝置加電容器投切補償的改善措施，在節能降耗方面取得了明顯效果。

(1)治理前諧波測量情況統計。實測結果表明,該辦公建筑諧波含量高,以3次倍數諧波為主；由于3次倍數諧波電流的疊加,中性線電流非常大。

(2)治理后諧波測量情況統計。濾波裝置投運前系統總電流波形畸變嚴重，電流總諧波畸變率 THDI為l5%，電壓總諧波畸變率THDV為 10%。 濾波裝置投運后系統總電流波形畸變得到了明顯改善，電流總諧波畸變率THDI下降到1.5%，電壓總諧波畸變率THDV下降到1.0%。

4 結語

目前上海電網低壓側配電站內配置的傳統電容器投切型無功補償設備，由于諧波影響等，不能正常使用，這既造成設備投資浪費，又無法解決功率因數偏低的問題。同時諧波污染的問題也一直沒有很好的治理措施。本文將采用先進技術的動態無功及諧波治理設備來設計治理方案，并結合現場實際運行，以分析動態無功及諧波治理設備在低壓側的技術可行性、運行效果、效益產生，為今后上海電網典型低壓側的無功及諧波治理設備的選型提供參考依據。