區(qū)域電網(wǎng)諧波分層控制和多諧波源集中治理

1 前言

麗水電業(yè)局地處浙西南山區(qū)，該地區(qū)負(fù)荷密度較小，但小水電資源豐富?，F(xiàn)有220kV變電所一座，水電廠有上標(biāo)電廠裝機(jī)16000kW，成屏電廠裝機(jī)8000kW，兩電廠年發(fā)電量超過(guò)7000kW ·ho全區(qū)境內(nèi)還有400余座并網(wǎng)中小水電站作為電網(wǎng)的補(bǔ)充電源。目前，麗水電網(wǎng)形成了以220kV為樞紐,110kV主網(wǎng)架覆蓋全區(qū)9縣(市)，35kV、10kV及低壓線路為輻射，小水電為補(bǔ)充電源的供電網(wǎng)絡(luò)。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量非線性負(fù)荷如中頻爐、電弧爐等設(shè)備投入電網(wǎng)運(yùn)行，使公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，損耗增加，電能質(zhì)量下降，已多次發(fā)生壓變、流變絕緣擊穿，電壓無(wú)功綜合控制器電壓指示不準(zhǔn)，低谷時(shí)段電容器不能正常投運(yùn)，保護(hù)異常動(dòng)作，功率因數(shù)表指示失真，小水電機(jī)組有時(shí)不能并網(wǎng)發(fā)電，有的電廠機(jī)組震動(dòng)強(qiáng)烈、噪聲增大、出力受到嚴(yán)重影響，繼電保護(hù)調(diào)試時(shí)由于試驗(yàn)電源諧波含量大，調(diào)試?yán)щy等，諧波污染已成為影響麗水地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素之一。另由于諧波電流在電網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生附加損耗和諧波電壓降，使電壓合格率降低，電網(wǎng)損耗增加。由于浙江民營(yíng)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，中小企業(yè)星羅棋布，其運(yùn)作以市場(chǎng)為導(dǎo)向，隨著小五金等行業(yè)的發(fā)展，大量非線性負(fù)荷如中頻爐、電弧爐等設(shè)備投人運(yùn)行。造成變電所的一條lOkV出線就有幾家非線性負(fù)荷接人，較遠(yuǎn)的則通過(guò)35kV線路接人。這類負(fù)荷單個(gè)規(guī)模小，但累計(jì)的規(guī)模很大，靠用戶自己進(jìn)行諧波治理，費(fèi)用高，難度大，由于中小企業(yè)的非線性負(fù)荷如中頻爐等本身的設(shè)備投資不大，如要求配備濾波裝置，其設(shè)備投資往往與生產(chǎn)設(shè)備相當(dāng)，企業(yè)主一般均不愿承擔(dān)。而一個(gè)變電所的lOkV母線往往供許多家非線性負(fù)荷企業(yè)，如僅其中一家投入濾波器，將吸收幾家非線性負(fù)荷設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流，有可能會(huì)造成濾波器的過(guò)載而燒損，這樣，也為諧波治理增加了困難。
2 諧波源及分布情況
麗水地區(qū)進(jìn)行諧波普測(cè)的220kV變電所有1個(gè)：麗水變，1lOkV變電所有12個(gè)：金溪變、碧湖變、西屏變、縉云變、巖泉變、龍泉變、壺鎮(zhèn)變、古市變、慶元變、溫溪變、云和變、景寧變，35kV變電所4個(gè)：城北變、松陽(yáng)變、大港頭變、東源變，總共17個(gè)變電所。所測(cè)幾個(gè)變電所均有一到幾個(gè)諧波指標(biāo)超標(biāo)，有超標(biāo)現(xiàn)象的變電所占所測(cè)量變電所的100％，不僅如此，某些變電所還存在嚴(yán)重的電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題，詳細(xì)情況分述如下(注：若無(wú)特別說(shuō)明，本文表格中有的諧波指標(biāo)數(shù)值均指該值已超過(guò)國(guó)標(biāo)限值)。

2．1 220kV電壓等級(jí)
麗水地區(qū)只有一座220kV變電所：麗水變，220kV電壓等級(jí)中以3次、5次為主導(dǎo)諧波(見(jiàn)表1)，其中3次諧波含有率及總諧波電壓畸變率已超標(biāo)，其值分別為2．1％和2．4％，超標(biāo)31_25％和21％ 。
2．2 1lOkV電壓等級(jí)
由于麗水地區(qū)35kV及以下電壓等級(jí)的諧波情況比較嚴(yán)重，所以有些變電所如溫溪變、巖泉變、龍泉變、慶元變和壺鎮(zhèn)變，只測(cè)了35kV、lOkV電壓等級(jí)的諧波，從目前所測(cè)量的1lOkV電壓等級(jí)的諧波情況來(lái)看(見(jiàn)表2)，3次、5次諧波為主導(dǎo)諧波，其中金溪變1lOkV母線3次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率均已嚴(yán)重超標(biāo)，其值為4．9％和5.05％ ，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值達(dá)206．2％ 和152．5％ ；麗水變3次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率也已超標(biāo)，其值為2．2％和2．5％ ，超過(guò)國(guó)標(biāo)限值達(dá)37．5％ 和25．3％ ；古市變5次諧波電壓含有率剛達(dá)到國(guó)標(biāo)限值，電壓總諧波畸變率接近國(guó)標(biāo)限值。

2．3 35kV電壓等級(jí)
35kV母線3次、5次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率有超標(biāo)現(xiàn)象的變電所占所測(cè)量變電所的90％(見(jiàn)表3)，主導(dǎo)諧波為3次、5次和7次，諧波指標(biāo)超標(biāo)范圍在2．3％一145．8％ 之間，其中以壺鎮(zhèn)變超標(biāo)最為嚴(yán)重，其35kV母線5次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率分別為5．9％ 和6．3％，超標(biāo)達(dá)145．8％和111．1％ 。

2．4 lOkV電壓等級(jí)
lOkV母線3次、5次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率有超標(biāo)現(xiàn)象的變電所占所測(cè)量變電所的9o％(見(jiàn)表4)，主導(dǎo)諧波為3次、5次和7次，諧波指標(biāo)超標(biāo)范圍在3．12％一600％之間，其中以大港頭變超標(biāo)最為嚴(yán)重，當(dāng)電容器組不投運(yùn)時(shí)，lOkV母線3次、5次諧波電壓含有率及總諧波電壓畸變率分別為：3．3％、12．3％ 和12．7％ ，超標(biāo)百分比分別達(dá)3．12％ 、284．4％ 和218％，當(dāng)電容器組投運(yùn)時(shí)，造成7次、5次諧波放大，超標(biāo)更為嚴(yán)重，總諧波電壓畸變率超標(biāo)百分比竟然高達(dá)600％ 。

從以上數(shù)據(jù)可知，220kV電壓等級(jí)以3次、5次為主導(dǎo)諧波，其中3次諧波含有率及總諧波電壓畸變率已超標(biāo)，麗水變220kV母線3次諧波電壓含有率超標(biāo)與別的地區(qū)有所不同，變壓器深度飽和引起

3次諧波電壓增大只是其中一個(gè)因素，而低電壓等級(jí)的諧波滲透較為嚴(yán)重，這一現(xiàn)象應(yīng)引起有關(guān)方面的重視。110 kV及以上電壓等級(jí)以3次、5次為主導(dǎo)諧波，個(gè)別變電所由于諧波源的影響2次諧波含有率也較大。35kV及以下電壓等級(jí)諧波污染相當(dāng)嚴(yán)重(包括電壓波動(dòng)和閃變)。

麗水地區(qū)電網(wǎng)較弱，諧波污染顯得尤為嚴(yán)重。大批中、小容量的諧波源，如中頻爐、電弧爐等已

影響到220kV主網(wǎng)，部分變電所因諧波引起保護(hù)裝置異常發(fā)信及誤動(dòng)，表計(jì)指示異常，繼電保護(hù)調(diào)

試?yán)щy，主變發(fā)出異常聲音，電容器不能正常投入運(yùn)行，流變、壓變、電纜等因過(guò)熱而絕緣擊穿等等，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)及用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
3 全網(wǎng)諧波水平的抑制和多諧波源的集中治理
為了麗水電網(wǎng)及用電設(shè)備的的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為電力用戶提供合格的電能質(zhì)量，必須對(duì)麗水電網(wǎng)的諧波等電能質(zhì)量作全面的治理，通過(guò)大量的測(cè)試和總結(jié)已基本查清了麗水電網(wǎng)的電能質(zhì)量現(xiàn)狀。為此，必須合理制訂麗水電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的方案。
3．1 無(wú)源濾波器
低成本的無(wú)源濾波器是目前普遍采用的抑制諧波和無(wú)功補(bǔ)償主要方法，該方法投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定，為了減少線損和提高諧波源發(fā)生地的治理效率，其治理地點(diǎn)一般要求在諧波源發(fā)生地。這種方法用于容量較大且數(shù)量單一的諧波源是合適的。對(duì)于小容量、多布點(diǎn)、密集分布的諧波源，用戶安裝濾波器難度

較大，又不能保證各諧波源均設(shè)濾波器并同時(shí)投入運(yùn)行。在對(duì)電網(wǎng)、對(duì)用戶的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行已經(jīng)造成嚴(yán)重威脅的情況下，應(yīng)考慮在變電所對(duì)多諧波源采取集中治理的方法。
3．2 多諧波源的集中治理時(shí)諧波潮流的計(jì)算和濾波器容量確定
3．2．1 諧波注入量
針對(duì)多諧波源的諧波治理，在供電母線設(shè)濾波器時(shí)，其諧波注入量應(yīng)計(jì)及兩部分：
(1)供電區(qū)內(nèi)的諧波性質(zhì)和發(fā)生量；
(2)當(dāng)投入濾波器后，與之相連的各變電所通過(guò)各電壓等級(jí)線路和變壓器傳遞的諧波量。
3．2．2 諧波潮流計(jì)算和濾波容量確定
在諧波潮流計(jì)算前應(yīng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的諧波進(jìn)行一個(gè)全面詳盡的測(cè)試，確定該地區(qū)的最大諧波發(fā)生量及相應(yīng)的性質(zhì)和分布。收集建立該地區(qū)的諧波潮流計(jì)算網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
確定裝設(shè)濾波器的變電所需要的無(wú)功補(bǔ)償量。并根據(jù)諧波總注入量與性質(zhì)確定濾波器的容量和支路分配得到初始參數(shù)。進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，得出各點(diǎn)的諧波水平和濾波器承載的電流和電壓。
多次修正濾波器參數(shù)，重復(fù)進(jìn)行諧波計(jì)算，優(yōu)化濾波效益和減少設(shè)備投資。最后確定工程實(shí)施參數(shù)。在濾波器容量確定和調(diào)諧點(diǎn)設(shè)置等方面，與單個(gè)諧波源的治理不同，濾波器容量確定應(yīng)考慮各種電網(wǎng)方式下不過(guò)載，合理的調(diào)諧點(diǎn)設(shè)置能防止過(guò)度吸收供電區(qū)外的諧波。
3．3 全地區(qū)電網(wǎng)諧波治理思路
由于整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的諧波水平很高，要進(jìn)行治理時(shí)必須分析電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗特性和該地區(qū)的諧波源的分布及特性。對(duì)處于電網(wǎng)末端的1lOkV變電所首先治理，防止諧波電流滲透至高一級(jí)電網(wǎng)。對(duì)最先投入的濾波器不僅要考慮本變電所供電區(qū)域內(nèi)的諧波源，還要計(jì)及與其相聯(lián)的其余電網(wǎng)諧波的注入。對(duì)220kV變電所，合理選擇并聯(lián)電容器的串聯(lián)電抗率，以抑制3次和5次諧波放大為主。對(duì)1lOkV及以下變電所lOkV公用線供電成片諧波源負(fù)荷區(qū)進(jìn)行集中治理，裝設(shè)濾波器，對(duì)35kV專線用電的電弧爐、中頻爐等大用戶必須設(shè)濾波裝置。
4 電壓、諧波和無(wú)功綜合控制策略
4．1 變電所電壓、無(wú)功控制策略
變電所的電壓和無(wú)功按所謂的“九域圖”控制，是將變電所內(nèi)受控母線的電壓和受控口子的無(wú)功功率(功率因數(shù))的工作范圍劃為九個(gè)工作區(qū)域，控制器根據(jù)當(dāng)前受控母線的電壓和受控口子的無(wú)功功率(功率因數(shù))決定如何對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備和變壓器分接頭進(jìn)行控制。當(dāng)變電所的工作狀態(tài)為受控母線的電壓低于下限，且受控口子的無(wú)功功率(功率因數(shù))低于下限，此時(shí)需要優(yōu)先投入并聯(lián)電容器，再視情況決定是否需要調(diào)節(jié)變壓器分接頭將受控母線電壓升高；當(dāng)受控母線電壓高于上限，但受控口子功率(功率因數(shù))在合格范圍內(nèi)，此時(shí)首先調(diào)節(jié)變壓器分接頭將受控母線的電壓降低到合格范圍內(nèi)。
4．2 與濾波器配合使用的電壓、諧波及無(wú)功綜合控制策略
為了能夠滿足在變電所低壓出線上接容量不等的小水電，同時(shí)又有大量的非線性負(fù)荷的應(yīng)用情況，在電壓、無(wú)功控制策略的基礎(chǔ)上，提出了與濾波器配合使用的電壓、諧波及無(wú)功綜合控制策略。在“九域圖”的基礎(chǔ)上提出了“三十五域圖”控制策略。其控制區(qū)域示意圖如圖1及圖2所示：

4．3 電壓、諧波及無(wú)功綜合控制策略的設(shè)計(jì)需考慮的原則和技術(shù)要求
在電壓、諧波及無(wú)功綜合控制策略的設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下原則和技術(shù)要求：
(1)為了保證電網(wǎng)和設(shè)備的安全運(yùn)行，結(jié)合麗水電網(wǎng)實(shí)際，采用電壓合格優(yōu)先，諧波合格次之，無(wú)功功率平衡最后的控制策略。
(2)在諧波定值的整定上，除了考慮啟動(dòng)值外，還考慮10kV母線并列運(yùn)行時(shí)，一組濾波裝置過(guò)載時(shí)自動(dòng)投入第二組濾波裝置，以免過(guò)載運(yùn)行。同時(shí)合理設(shè)置濾波裝置的返回值，確保在濾波裝置退出運(yùn)行后諧波指標(biāo)仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。
(3)濾波裝置治理多次諧波，在投切順序上應(yīng)滿足先投低次濾波器支路再投高次濾波器支路。切支路的時(shí)候相反，應(yīng)先切高次濾波器支路再切低次濾波器支路，防止高次諧波對(duì)低次諧波的放大。

(4)為了防止綜控器的投切振蕩，綜控器不僅具有電壓、諧波、無(wú)功檢測(cè)和分析功能外，還引入了濾波器支路的諧波電流檢測(cè)分析，用于母線電壓諧波控制的返回值控制等等。