區域電網(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，該地區負荷密度較小，但小水電資源豐富?，F有220kV變電所一座，水電廠(chǎng)有上標電廠(chǎng)裝機16000kW，成屏電廠(chǎng)裝機8000kW，兩電廠(chǎng)年發(fā)電量超過(guò)7000kW ·ho全區境內還有400余座并網(wǎng)中小水電站作為電網(wǎng)的補充電源。目前，麗水電網(wǎng)形成了以220kV為樞紐,110kV主網(wǎng)架覆蓋全區9縣(市)，35kV、10kV及低壓線(xiàn)路為輻射，小水電為補充電源的供電網(wǎng)絡(luò )。
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，大量非線(xiàn)性負荷如中頻爐、電弧爐等設備投入電網(wǎng)運行，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，低谷時(shí)段電容器不能正常投運，保護異常動(dòng)作，功率因數表指示失真，小水電機組有時(shí)不能并網(wǎng)發(fā)電，有的電廠(chǎng)機組震動(dòng)強烈、噪聲增大、出力受到嚴重影響，繼電保護調試時(shí)由于試驗電源諧波含量大，調試困難等，諧波污染已成為影響麗水地區電網(wǎng)電能質(zhì)量和安全經(jīng)濟運行的主要因素之一。另由于諧波電流在電網(wǎng)內流動(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)濟的特點(diǎn)，中小企業(yè)星羅棋布，其運作以市場(chǎng)為導向，隨著(zhù)小五金等行業(yè)的發(fā)展，大量非線(xiàn)性負荷如中頻爐、電弧爐等設備投人運行。造成變電所的一條lOkV出線(xiàn)就有幾家非線(xiàn)性負荷接人，較遠的則通過(guò)35kV線(xiàn)路接人。這類(lèi)負荷單個(gè)規模小，但累計的規模很大，靠用戶(hù)自己進(jìn)行諧波治理，費用高，難度大，由于中小企業(yè)的非線(xiàn)性負荷如中頻爐等本身的設備投資不大，如要求配備濾波裝置，其設備投資往往與生產(chǎn)設備相當，企業(yè)主一般均不愿承擔。而一個(gè)變電所的lOkV母線(xiàn)往往供許多家非線(xiàn)性負荷企業(yè)，如僅其中一家投入濾波器，將吸收幾家非線(xiàn)性負荷設備產(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
麗水地區進(jìn)行諧波普測的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。所測幾個(gè)變電所均有一到幾個(gè)諧波指標超標，有超標現象的變電所占所測量變電所的100％，不僅如此，某些變電所還存在嚴重的電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題，詳細情況分述如下(注：若無(wú)特別說(shuō)明，本文表格中有的諧波指標數值均指該值已超過(guò)國標限值)。

2．1 220kV電壓等級
麗水地區只有一座220kV變電所：麗水變，220kV電壓等級中以3次、5次為主導諧波(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，其值分別為2．1％和2．4％，超標31_25％和21％ 。
2．2 1lOkV電壓等級
由于麗水地區35kV及以下電壓等級的諧波情況比較嚴重，所以有些變電所如溫溪變、巖泉變、龍泉變、慶元變和壺鎮變，只測了35kV、lOkV電壓等級的諧波，從目前所測量的1lOkV電壓等級的諧波情況來(lái)看(見(jiàn)表2)，3次、5次諧波為主導諧波，其中金溪變1lOkV母線(xiàn)3次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率均已嚴重超標，其值為4．9％和5.05％ ，超過(guò)國標限值達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，其值為2．2％和2．5％ ，超過(guò)國標限值達37．5％ 和25．3％ ；古市變5次諧波電壓含有率剛達到國標限值，電壓總諧波畸變率接近國標限值。

2．3 35kV電壓等級
35kV母線(xiàn)3次、5次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率有超標現象的變電所占所測量變電所的90％(見(jiàn)表3)，主導諧波為3次、5次和7次，諧波指標超標范圍在2．3％一145．8％ 之間，其中以壺鎮變超標最為嚴重，其35kV母線(xiàn)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％，超標達145．8％和111．1％ 。

2．4 lOkV電壓等級
lOkV母線(xiàn)3次、5次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率有超標現象的變電所占所測量變電所的9o％(見(jiàn)表4)，主導諧波為3次、5次和7次，諧波指標超標范圍在3．12％一600％之間，其中以大港頭變超標最為嚴重，當電容器組不投運時(shí)，lOkV母線(xiàn)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％ ，超標百分比分別達3．12％ 、284．4％ 和218％，當電容器組投運時(shí)，造成7次、5次諧波放大，超標更為嚴重，總諧波電壓畸變率超標百分比竟然高達600％ 。

從以上數據可知，220kV電壓等級以3次、5次為主導諧波，其中3次諧波含有率及總諧波電壓畸變率已超標，麗水變220kV母線(xiàn)3次諧波電壓含有率超標與別的地區有所不同，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，而低電壓等級的諧波滲透較為嚴重，這一現象應引起有關(guān)方面的重視。110 kV及以上電壓等級以3次、5次為主導諧波，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及以下電壓等級諧波污染相當嚴重(包括電壓波動(dòng)和閃變)。

麗水地區電網(wǎng)較弱，諧波污染顯得尤為嚴重。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裝置異常發(fā)信及誤動(dòng)，表計指示異常，繼電保護調

試困難，主變發(fā)出異常聲音，電容器不能正常投入運行，流變、壓變、電纜等因過(guò)熱而絕緣擊穿等等，嚴重威脅電網(wǎng)及用電設備的安全經(jīng)濟運行。
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)及用電設備的的安全經(jīng)濟運行，為電力用戶(hù)提供合格的電能質(zhì)量，必須對麗水電網(wǎng)的諧波等電能質(zhì)量作全面的治理，通過(guò)大量的測試和總結已基本查清了麗水電網(wǎng)的電能質(zhì)量現狀。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)功補償主要方法，該方法投資少、效率高、結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便。其濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定，為了減少線(xiàn)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量單一的諧波源是合適的。對于小容量、多布點(diǎn)、密集分布的諧波源，用戶(hù)安裝濾波器難度

較大，又不能保證各諧波源均設濾波器并同時(shí)投入運行。在對電網(wǎng)、對用戶(hù)的安全、經(jīng)濟運行已經(jīng)造成嚴重威脅的情況下，應考慮在變電所對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)諧波潮流的計算和濾波器容量確定
3．2．1 諧波注入量
針對多諧波源的諧波治理，在供電母線(xiàn)設濾波器時(shí)，其諧波注入量應計及兩部分：
(1)供電區內的諧波性質(zhì)和發(fā)生量；
(2)當投入濾波器后，與之相連的各變電所通過(guò)各電壓等級線(xiàn)路和變壓器傳遞的諧波量。
3．2．2 諧波潮流計算和濾波容量確定
在諧波潮流計算前應對區域電網(wǎng)的諧波進(jìn)行一個(gè)全面詳盡的測試，確定該地區的最大諧波發(fā)生量及相應的性質(zhì)和分布。收集建立該地區的諧波潮流計算網(wǎng)絡(luò )數據。
確定裝設濾波器的變電所需要的無(wú)功補償量。并根據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。進(jìn)行諧波潮流計算，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，重復進(jìn)行諧波計算，優(yōu)化濾波效益和減少設備投資。最后確定工程實(shí)施參數。在濾波器容量確定和調諧點(diǎn)設置等方面，與單個(gè)諧波源的治理不同，濾波器容量確定應考慮各種電網(wǎng)方式下不過(guò)載，合理的調諧點(diǎn)設置能防止過(guò)度吸收供電區外的諧波。
3．3 全地區電網(wǎng)諧波治理思路
由于整個(gè)地區電網(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 )阻抗特性和該地區的諧波源的分布及特性。對處于電網(wǎng)末端的1lOkV變電所首先治理，防止諧波電流滲透至高一級電網(wǎng)。對最先投入的濾波器不僅要考慮本變電所供電區域內的諧波源，還要計及與其相聯(lián)的其余電網(wǎng)諧波的注入。對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1lOkV及以下變電所lOkV公用線(xiàn)供電成片諧波源負荷區進(jìn)行集中治理，裝設濾波器，對35kV專(zhuān)線(xiàn)用電的電弧爐、中頻爐等大用戶(hù)必須設濾波裝置。
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，是將變電所內受控母線(xiàn)的電壓和受控口子的無(wú)功功率(功率因數)的工作范圍劃為九個(gè)工作區域，控制器根據當前受控母線(xiàn)的電壓和受控口子的無(wú)功功率(功率因數)決定如何對并聯(lián)補償設備和變壓器分接頭進(jìn)行控制。當變電所的工作狀態(tài)為受控母線(xiàn)的電壓低于下限，且受控口子的無(wú)功功率(功率因數)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節變壓器分接頭將受控母線(xiàn)電壓升高；當受控母線(xiàn)電壓高于上限，但受控口子功率(功率因數)在合格范圍內，此時(shí)首先調節變壓器分接頭將受控母線(xiàn)的電壓降低到合格范圍內。
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(mǎn)足在變電所低壓出線(xiàn)上接容量不等的小水電，同時(shí)又有大量的非線(xiàn)性負荷的應用情況，在電壓、無(wú)功控制策略的基礎上，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”的基礎上提出了“三十五域圖”控制策略。其控制區域示意圖如圖1及圖2所示：

4．3 電壓、諧波及無(wú)功綜合控制策略的設計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計時(shí)，重點(diǎn)考慮以下原則和技術(shù)要求：
(1)為了保證電網(wǎng)和設備的安全運行，結合麗水電網(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(xiàn)并列運行時(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)載運行。同時(shí)合理設置濾波裝置的返回值，確保在濾波裝置退出運行后諧波指標仍能滿(mǎn)足國家標準要求。
(3)濾波裝置治理多次諧波，在投切順序上應滿(mǎn)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)功檢測和分析功能外，還引入了濾波器支路的諧波電流檢測分析，用于母線(xiàn)電壓諧波控制的返回值控制等等。