電力諧波對電網(wǎng)危害有多大？目前有什么比較有效的治理方法？

作者：西門子中國
來源：知乎
 

從IEC 61000-3-6-2008 及 IEEE519-2014 兩個標準為切入點，以規(guī)劃水平和兼容水平為基礎，分析一下電力諧波對電網(wǎng)內(nèi)用電設備的危害。在此基礎上，區(qū)分諧波治理的責任方，并簡單談談濾波電容器這種治理方案以及西門子為減少設備注入系統(tǒng)的諧波而做的努力。

首先介紹一下 IEC 61000-3-6-2008，Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-6: Limits – Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems。國內(nèi)的 GBZ-17625.4-2000《電磁兼容限值中高壓電力系統(tǒng)中畸變負荷發(fā)射限值的評估》基本是對 IEC61000-3-6-1996 的翻譯。

諧波對系統(tǒng)的影響方式分兩類：傳導和輻射。傳導現(xiàn)象是指變流器等諧波源把諧波電流注入到供電網(wǎng)絡中。輻射現(xiàn)象是引入到通信系統(tǒng)中的諧波電流。正如標準所言「標準的目的在于把供電網(wǎng)絡中實際的諧波電壓限制到對敏感設備不造成有害影響的水平（兼容水平）」，我們常見的諧波影響主要針對傳導現(xiàn)象下由諧波電流和阻抗引起的諧波電壓對系統(tǒng)的影響。

這里劃一下重點，電力諧波對電網(wǎng)的危害在于諧波電壓對電網(wǎng)中設備的影響，即諧波電壓超出了設備所能承受的水平。關于超出設備所能承受水平的具體后果請參見答友

@無功補償李逍遙
@嚴同-PowerChina
寫的具體危害。本文重點聊一下標準中提到的規(guī)劃水平和兼容水平。

兼容水平可粗淺的理解為同一系統(tǒng)內(nèi)設備能夠承受諧波電壓的水平；規(guī)劃水平在標準中已經(jīng)說得很明白了，引用 GBZ17625.4 中所說：「是在規(guī)劃時評估所有用戶負荷對供電系統(tǒng)的影響所用的水平。供電公司為該系統(tǒng)的所有各電壓等級規(guī)定了規(guī)劃水平，并且規(guī)劃水平可以認為是供電公司內(nèi)部的質量目標。」兩者的關系如圖 1（源自 IEC61000-3-6 / GBZ17625.4）所示。以河流為例解釋，一條河有一定的容納污染的能力，河流沿岸有若干工廠得到政府許可可以向河水中排污；對于這條河流而言，規(guī)劃水平就是政府認定工廠可向河水排污的上限，兼容水平就是河水在一定污穢下仍然可以用于工作和生活。這里河流就是電網(wǎng)，沿岸工廠就是往電網(wǎng)注入諧波的用電設備。由此可知，規(guī)劃水平應該小于兼容水平，即注入系統(tǒng)的諧波上限應能滿足用電設備正常工作的需求。當實際諧波超出規(guī)劃水平時，如果暫未超出兼容水平，那么用電設備還能運行，如果超出兼容水平，那么設備會受到有害影響。

由以上分析可以知道電力諧波對電網(wǎng)的危害在于注入電網(wǎng)諧波電壓超出了設備的兼容水平，從而導致設備無法正常工作直至設備本身受損。

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在此基礎上要考慮的問題就是諧波污染由誰治理、如何治理、以及治理到什么程度，此處就要提到IEEE519-2014 以及國內(nèi)的 GB14549-1993 標準。

IEEE519-2014《 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems》是目前國際通用的諧波限值界定標準。它主要說明兩件事，一是諧波治理是供用電雙方共同的責任，二是對系統(tǒng)中諧波的具體限值給了個參考標準。

如前文所引述的標準內(nèi)容，諧波電壓是造成設備損壞的主要因素。IEEE 519中規(guī)定的諧波電壓限值就像前文的規(guī)劃水平一樣，是說給供電公司聽的，它需要保證供電網(wǎng)絡的電壓擾動小于接入網(wǎng)絡的用電設備的兼容限值；諧波電流限值則是說給用戶聽的，因為諧波電流與系統(tǒng)阻抗影響產(chǎn)生諧波電壓，用戶需要確保給系統(tǒng)的騷擾值在電網(wǎng)的規(guī)劃水平內(nèi)。雙方相互影響相互合作，共同構建和諧的電網(wǎng)環(huán)境。

像交通事故認定書一樣，我們區(qū)分好了各方的責任，就可以在此基礎上談談諧波治理了。對電網(wǎng)側的諧波電壓，由用電公司負責， 一般在前期規(guī)劃時已考慮，不再多說。對用戶端產(chǎn)生的諧波，一種是用戶濾除諧波注入電網(wǎng)的諧波電流，另一種是設備廠家通過先進的科技手段保證注入系統(tǒng)的諧波盡可能的小。

就用戶濾除諧波這個角度看，當前主要的 APF 有源濾波器和 FC 濾波電容器。由于低壓系統(tǒng)阻抗小，設置濾波電容器時對設備精度要求較高，且低壓諧波豐富，所以低壓多用 APF；高壓系統(tǒng)阻抗大，且 APF 造價過高，多用濾波電容器。

由于之前答友已經(jīng)對濾波設備做了一個很全面的介紹，我這里就從濾波電容器這個我比較感興趣的點上再細化一下。

濾波電容器采用在并聯(lián)電容器上串聯(lián)一定的電抗器，圖 2（a）是出電力系統(tǒng)的簡化電路圖，圖2（b）為其諧波等效電路。為簡化系統(tǒng)模型，將系統(tǒng)阻抗中的電阻忽略不計。圖中，箭頭方向表示諧波電流的正方向。定義：系統(tǒng)諧波電流放大系數(shù)Ki=Isn/In ，濾波支路諧波電流放大系數(shù)Ki’=Icn/In。

由理論推導可以得出注入系統(tǒng)的諧波電流放大系數(shù)以及流入濾波支路的諧波電流放大系數(shù)曲線，如下圖所示：

諧波電流放大倍數(shù)曲線的物理意義：
（1）諧波電流放大系數(shù)為正值，表示諧波電流注入系統(tǒng)和流入濾波支路的諧波電流方向為正方向，諧波電流放大系數(shù)為負值，表示諧波電流注入系統(tǒng)和流入濾波支路的諧波電流方向為反方向（參考方向如圖2）。
（2）圖中橙色和紅色區(qū)域為容性支路，綠色和粉色區(qū)域為感性支路；其意義在于，容性支路可能與系統(tǒng)電抗發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，而感性支路不會與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，此時，感性支路主要起分流的作用，即濾波。
（3）在容性支路的紅色區(qū)域為諧波電流的極大放大區(qū)，即流入系統(tǒng)和濾波支路的諧波電流均放大；剩余橙色區(qū)域，要么系統(tǒng)的諧波電流放大，濾波支路的諧波電流不放大；要么系統(tǒng)的諧波電流不放大，濾波支路的諧波電流放大。
（4）無源濾波器在設計時需將諧振點設置在諧波較小的頻率上，避免諧振點偏移到紅色區(qū)域。

由以上分析可知，只有綠色和粉色的區(qū)域才是濾波，如果跑偏了配到紅色區(qū)域就危險了，但是工程實際中很多參數(shù)在設計時會被忽略，配到諧波放大區(qū)的情況也偶有發(fā)生，同時工程設備的偏差會影響治理效果。所謂成也蕭何敗也蕭何，電容器在系統(tǒng)中是一把鋒利的雙刃劍，配好了能夠分流系統(tǒng)諧波，配不好則會導致諧波電流放大。

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談到設備，廠家通過先進的科技手段保證注入系統(tǒng)的諧波盡可能的小，這里就不得不自我夸獎一下——向大家介紹西門子的完美無諧波GH180系列高壓變頻器。傳統(tǒng)的變頻器通常有五個單獨的組件，如諧波濾波器、功率因數(shù)校正電路、變壓器、功率變換器和電機濾波器，但 GH180 變頻器只需要隔離變壓器和功率變換器兩個主要組件就可以滿足 IEEE519-2014 最嚴苛的標準。

這里提到的標準是指 IEEE519 標準中的Table 2，如下方截圖中黃色部分所示。一般評估諧波限值TDD 時需要考慮系統(tǒng)短路阻抗 ISC 與用戶注入系統(tǒng)的電流 IL 的比值，比值越大，即電網(wǎng)越堅強時，TDD 限值就越寬松，但是 GH180 系列變頻器承諾在所有系統(tǒng)下均滿足下圖中標黃的限值要求。

 

那么西門子 GH180 變頻器采用了什么樣的先進科技呢？如圖 4 所示，輸入側采用移相變壓器技術消弱電源諧波失真，輸出側采用西門子的低壓單元串聯(lián)拓撲結構消弱輸出諧波失真。注入系統(tǒng)的諧波效果對比如圖 5 所示。

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以上是我對該題目的幾點分析，結尾做個簡單的總結：

1. 電力諧波對電網(wǎng)的危害在于諧波電壓對電網(wǎng)中設備的影響，即諧波電壓超出了設備所能承受的水平。
2. 供電方對供電網(wǎng)絡的諧波電壓負責，用電方對注入系統(tǒng)的諧波電流負責。