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电力谐波对电网危害有多大?目前有什么比较有效的治理方法?

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人气:发表时间:2020-12-22 17:32:43【

电力谐波对电网危害有多大?目前有什么比较有效的治理方法?

作者:西门子中国
来源:知乎

 

IEC 61000-3-6-2008 及 IEEE519-2014 两个标准为切入点以规划水平和兼容水平为基础,分析一下电力谐波对电网内用电设备的危害。在此基础上,区分谐波治理的责任方,并简单谈谈滤波电容器这种治理方案以及西门子为减少设备注入系统的谐波而做的努力。

首先介绍一下 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。国内的 GBZ-17625.4-2000《电磁兼容限值中高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》基本是对 IEC61000-3-6-1996 的翻译。

谐波对系统的影响方式分两类:传导和辐射。传导现象是指变流器等谐波源把谐波电流注入到供电网络中。辐射现象是引入到通信系统中的谐波电流。正如标准所言「标准的目的在于把供电网络中实际的谐波电压限制到对敏感设备不造成有害影响的水平(兼容水平)」,我们常见的谐波影响主要针对传导现象下由谐波电流和阻抗引起的谐波电压对系统的影响

这里划一下重点,电力谐波对电网的危害在于谐波电压对电网中设备的影响,即谐波电压超出了设备所能承受的水平。关于超出设备所能承受水平的具体后果请参见答友

@无功补偿李逍遥
@严同-PowerChina
写的具体危害。本文重点聊一下标准中提到的规划水平和兼容水平。

兼容水平可粗浅的理解为同一系统内设备能够承受谐波电压的水平规划水平在标准中已经说得很明白了,引用 GBZ17625.4 中所说:「是在规划时评估所有用户负荷对供电系统的影响所用的水平。供电公司为该系统的所有各电压等级规定了规划水平,并且规划水平可以认为是供电公司内部的质量目标。」两者的关系如图 1(源自 IEC61000-3-6 / GBZ17625.4)所示。以河流为例解释,一条河有一定的容纳污染的能力,河流沿岸有若干工厂得到政府许可可以向河水中排污;对于这条河流而言,规划水平就是政府认定工厂可向河水排污的上限,兼容水平就是河水在一定污秽下仍然可以用于工作和生活。这里河流就是电网,沿岸工厂就是往电网注入谐波的用电设备。由此可知,规划水平应该小于兼容水平,即注入系统的谐波上限应能满足用电设备正常工作的需求。当实际谐波超出规划水平时,如果暂未超出兼容水平,那么用电设备还能运行,如果超出兼容水平,那么设备会受到有害影响。

图 1 利用包括整个系统的时间 位置统计分布的电压质量的基本概念图示说明

由以上分析可以知道电力谐波对电网的危害在于注入电网谐波电压超出了设备的兼容水平,从而导致设备无法正常工作直至设备本身受损


在此基础上要考虑的问题就是谐波污染由谁治理、如何治理、以及治理到什么程度,此处就要提到IEEE519-2014 以及国内的 GB14549-1993 标准。

IEEE519-2014《 IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems》是目前国际通用的谐波限值界定标准。它主要说明两件事,一是谐波治理是供用电双方共同的责任,二是对系统中谐波的具体限值给了个参考标准

如前文所引述的标准内容,谐波电压是造成设备损坏的主要因素。IEEE 519中规定的谐波电压限值就像前文的规划水平一样,是说给供电公司听的,它需要保证供电网络的电压扰动小于接入网络的用电设备的兼容限值;谐波电流限值则是说给用户听的,因为谐波电流与系统阻抗影响产生谐波电压,用户需要确保给系统的骚扰值在电网的规划水平内。双方相互影响相互合作,共同构建和谐的电网环境。

像交通事故认定书一样,我们区分好了各方的责任,就可以在此基础上谈谈谐波治理了。对电网侧的谐波电压,由用电公司负责, 一般在前期规划时已考虑,不再多说。对用户端产生的谐波,一种是用户滤除谐波注入电网的谐波电流,另一种是设备厂家通过先进的科技手段保证注入系统的谐波尽可能的小。

就用户滤除谐波这个角度看,当前主要的 APF 有源滤波器和 FC 滤波电容器。由于低压系统阻抗小,设置滤波电容器时对设备精度要求较高,且低压谐波丰富,所以低压多用 APF;高压系统阻抗大,且 APF 造价过高,多用滤波电容器。

由于之前答友已经对滤波设备做了一个很全面的介绍,我这里就从滤波电容器这个我比较感兴趣的点上再细化一下。

图2 电力系统简化电路及谐波等效电路,左侧 2(a),右侧 2(b)

滤波电容器采用在并联电容器上串联一定的电抗器,图 2(a)是出电力系统的简化电路图,图2(b)为其谐波等效电路。为简化系统模型,将系统阻抗中的电阻忽略不计。图中,箭头方向表示谐波电流的正方向。定义:系统谐波电流放大系数Ki=Isn/In ,滤波支路谐波电流放大系数Ki’=Icn/In

由理论推导可以得出注入系统的谐波电流放大系数以及流入滤波支路的谐波电流放大系数曲线,如下图所示:

图3 谐波电流放大倍数曲线
谐波电流放大倍数曲线的物理意义:
(1)谐波电流放大系数为正值,表示谐波电流注入系统和流入滤波支路的谐波电流方向为正方向,谐波电流放大系数为负值,表示谐波电流注入系统和流入滤波支路的谐波电流方向为反方向(参考方向如图2)。
(2)图中橙色和红色区域为容性支路,绿色和粉色区域为感性支路;其意义在于,容性支路可能与系统电抗发生并联谐振现象,而感性支路不会与系统发生并联谐振现象,此时,感性支路主要起分流的作用,即滤波。
(3)在容性支路的红色区域为谐波电流的极大放大区,即流入系统和滤波支路的谐波电流均放大;剩余橙色区域,要么系统的谐波电流放大,滤波支路的谐波电流不放大;要么系统的谐波电流不放大,滤波支路的谐波电流放大。
(4)无源滤波器在设计时需将谐振点设置在谐波较小的频率上,避免谐振点偏移到红色区域。

由以上分析可知,只有绿色和粉色的区域才是滤波,如果跑偏了配到红色区域就危险了,但是工程实际中很多参数在设计时会被忽略,配到谐波放大区的情况也偶有发生,同时工程设备的偏差会影响治理效果。所谓成也萧何败也萧何,电容器在系统中是一把锋利的双刃剑,配好了能够分流系统谐波,配不好则会导致谐波电流放大。


谈到设备,厂家通过先进的科技手段保证注入系统的谐波尽可能的小,这里就不得不自我夸奖一下——向大家介绍西门子的完美无谐波GH180系列高压变频器。传统的变频器通常有五个单独的组件,如谐波滤波器、功率因数校正电路、变压器、功率变换器和电机滤波器,但 GH180 变频器只需要隔离变压器和功率变换器两个主要组件就可以满足 IEEE519-2014 最严苛的标准。

这里提到的标准是指 IEEE519 标准中的Table 2,如下方截图中黄色部分所示。一般评估谐波限值TDD 时需要考虑系统短路阻抗 ISC 与用户注入系统的电流 IL 的比值,比值越大,即电网越坚强时,TDD 限值就越宽松,但是 GH180 系列变频器承诺在所有系统下均满足下图中标黄的限值要求

 

那么西门子 GH180 变频器采用了什么样的先进科技呢?如图 4 所示,输入侧采用移相变压器技术消弱电源谐波失真,输出侧采用西门子专利的低压单元串联拓扑结构消弱输出谐波失真。注入系统的谐波效果对比如图 5 所示。

图4 GH180 变频器拓扑
图5 GH180 变频器对典型的12脉冲PWM变频器

以上是我对该题目的几点分析,结尾做个简单的总结:

  1. 电力谐波对电网的危害在于谐波电压对电网中设备的影响,即谐波电压超出了设备所能承受的水平。
  2. 供电方对供电网络的谐波电压负责,用电方对注入系统的谐波电流负责。

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