哈尔滨江北地区电网谐波污染分析
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【摘要】随着近代工业的不断发展，电力系统中各种负荷不断增加，特别是非线性负荷的增加，使得电网中谐波的畸变越来越严重，甚至已经达到了危害电力系统本身及其各种用电设备安全运行的程度，谐波的研究和治理已经成为一项重要的研究课题。
谐波研究的主要目的是计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流的总畸变率（THD），以及找出谐振条件。
目前谐波研究课题包含的内容主要有：电力系统谐波潮流计算、非正弦电量的测量方法和测量装置的研究、无功补偿装置的设计研究等。
本文以哈尔滨江北一次变66KV系统为例，建立了其简化的谐波数学模型，并用谐波潮流的解耦算法计算出受谐波影响后的潮流，即求出各节点的谐波电压含有率，为谐波分析和滤波器的配置提供了依据。
【关键词】谐波源；畸变率；谐波潮流计算；解耦法
1、电力系统谐波的危害
随着电力工业的发展，国民经济各部门的电气化水平日益提高，具有非线性或时变特性的负荷也日益增多，从而在现代电力系统中仅用频率和电压这两个指标来衡量电能质量就显得很不够了。除了频率和电压外，电压和电流的三相不对称平衡状况、波形畸变的情况以及由于负荷急剧变化造成的电压闪变等技术问题，使得电压和电流的波形发生不同程度的畸变，在电网中产生谐波电压和电流，电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行，公用电网的谐波电压和谐波电流是对电网环境最严重的污染。近年来这个问题因为同时出现的两种趋势而变得更加严重。这两种趋势是：电力公司为改善功率因素而大量增加使用电容器组；工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器[1]。
接入公用电网的谐波电流源向电网注入高次谐波电流，它们在电网的阻抗上产生高次谐波电压降，使电网的电压正弦波形发生畸变。畸变后的电压又会使线性用电负荷也流入高次谐波电流，传递和加重谐波污染，造成恶性循环。
谐波污染对公用电网的主要危害是：
1）谐波电流使输电线路、发电机、电动机、变压器产生附加损耗、温度升高；系统变压器和线路构成电网损耗的主要部分，谐波能导致网损增大；使发电机、电动机、变压器振动和噪声增加；
2）使异步电动机的转矩曲线发生严重畸变，不能达到额定转速运行，导致用户的异步电动机大批损坏。
3）谐波中的较低次谐波谐振会使换流装置工作不稳定。
4）谐波电流会对通信、继电保护装置、自动控制装置、计算机产生干扰，损害通话的清晰度、引起继电保护装置的误动等。
5）若电网谐波较大，会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用，导致单相重合闸失败，或不能采用较短的自动重合闸时间。
6）使电能计量产生误差。产生谐波的用户因为向系统送谐波功率而少计量，而受害用户因吸收无用的谐波功率，还要多付费。
7）谐波引起谐振，电力系统中广泛使用补偿功率因数的电容器，同时设备和线路存在分布电容。它们与系统的感性部分（例如线路、变压器的电抗）组合，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当系统中该次频率的谐波足够大时，就会造成危险的谐波过电压或过电流。甚至威胁电网安全稳定运行。
8）造成电容器的损坏。电力系统中的谐波对并联补偿电容器有较大影响：①、增加介质损耗；谐波产生的损耗和谐波次数成正比，高次含量越大，产生的损耗也越大，使电容器温度升高。电容器温度升高又引起介质损耗增加。这样反复循环，最后导致电容器热击穿。②、引起或加剧介质内部的局部放电；如果谐波电压叠加在工频电压上，因暂态过电压而放电，就可能不会消灭而不断扩大，促使电容器损坏。据统计因谐波而损坏的电器设备中电容器占40%。
9）增加了电网损耗；谐波在电力系统和用户电气设备上要造成附加损耗，谐波功率本身可以说完全是损耗，从而增大了网损。研究指出，若谐波电压和电流都控制在一般标准范围时，则可估出非线性用户注入电网的谐波功率和其用电负荷之比是在0.1%这个数量级，这和某些实测数据相符。但若谐波过大或发生谐振，则损耗将大大增加。若一个总负荷5000兆瓦的大电网，当各类非线性负荷共1000兆瓦时，注入电网的谐波功率平均为0.2，则总的谐波损耗平均为2兆瓦，年损失电量达1752万kWh，因此谐波对网损的影响不能忽视。
2、哈尔滨江北一次变谐波污染分析
220KV江北一次变位于哈尔滨市松北区万宝镇，该变电所共有两台220KV变压器（容量90000KVA）、1条220KV线路及多条66KV线路（其中北二线为必保线路为石油管理局加压站专供线路）负责为哈尔滨市松北区、呼兰区、肇东市（县级市）多个区县输送电力，负荷性质为工业、农业负荷。其下级有肇东、松浦、利民、长安、托公、涝州、四站、东长发、曲乡、前进、呼钢11个66KV变电所。江北一次变电所四季负荷变化不大，负荷率在基本在80～85%之间，最大负荷可达130000KVA。
哈尔滨市政府坐落于松北区，该区内的利民经济技术开发区集中了哈市多所大中院校以及一批高新企业，江北地区的供电质量好坏与否不但影响民计民生，更关乎企业生存。
在呼兰区境内的呼兰新红钢有限公司是一个钢年产量达30万吨、产值60亿元的钢铁冶炼企业，该钢厂生产用电由江北变下的利民变66KV利钢线专供（由利民变至呼钢变，呼钢变负荷达30000KVA），该钢厂的生产对江北地区的用电环境造成了一定影响。
基波潮流的计算与分析
取基准电压UB=66KV，基准功率SB=100MVA，则基准阻抗ZB=UB2/SB=662/100=43.56Ω，对于n次谐波X'=n×X、B'=B/n。
为方便计算，采用简化公式，即忽略输电线的电导及50KM以内的输电线路可不用计及电纳。在已知系统基波的等值电路下，变压器的阻抗标幺值ZT*、线路的阻抗标幺值Z*和电纳标幺值B*以及节点基波功率标幺值S*可分别由公式求取：
根据系统给出的线路、变压器和节点出力等参数，求得各线路阻抗、节点基波功率和变压器阻抗
三次谐波电压含有率的计算
利用谐波潮流解耦算法程序，输入所需的数据，即可求出系统各节点3次谐波电压含有率和相角的分布，其结果见表所示。
根据66KV系统奇次谐波含有率为2.4%，可见5次谐波时仅有节点2、3谐波电压含有率已超出了国家标准规定的极限值，也应得到相应的治理。7次谐波电压含有率各节点都没有超出国家标准规定的极限值。
按照谐波潮流的解耦算法，对哈尔滨江北一次变的66KV系统进行了谐波含有率的分析，分析表明：2、3次谐波含有率较大，而且主要集中于利民、呼钢、和呼兰变电站，这将直接威胁到这几个变电站所属系统的用电设备以及电网的安全运行，治理谐波刻不容缓。
3、结论
谐波影响分析是整个谐波研究中的一个重要环节，尤其是地区配电网谐波影响分析和计算需要对电网及其相关理论（如：无功功率补偿理论、电力系统潮流计算理论、网络重构理论等）有较深入的学习和研究，通过计算找出给定网络的谐波含有率超标点，为谐波抑制装设滤波器提供了很好的数据参考，以便更好地改善电网供电质量。
通过具体工作和认真研究，得出如下主要结论：
1、通过对电弧炉电气系统的谐波分析问题的研究，得出了电弧炉的电气系统的接线方式；基于交流电弧的物理特性，给出了交流电弧的等效模型；最后给出了电弧模型参数的估算方法。
2、结合线性法和非线性法两种算法的优点，考虑应用多谐波源的谐波潮流解耦算法，该算法改变常规算法中将基波潮流与谐波潮流联立迭代的方法，使基波潮流通过牛顿法迭代求解，谐波潮流通过高斯消元法求解，两者通过功率方程相关联，并以此考虑基波与谐波之间的相互影响。该算法具有较高的计算精度，同时显著减少了计算量，节省了内存，提高了计算速度，收敛可靠。
3、按照谐波潮流的解耦算法，对哈尔滨江北一次变的66KV系统进行了谐波含有率的分析，分析表明：2、3次谐波含有率较大，而且主要集中于利民、呼钢、和呼兰变电站，这将直接威胁到这几个变电站所属系统的用电设备以及电网的安全运行，治理谐波刻不容缓。
对地区配电网进行谐波潮流计算，不仅可以描绘出各种工况下全网的谐波潮流分布，还可以计算出各节点的谐波含有率程度，是分析地区配电网安全运行的重要环节和主要依据，因此，对地区配电网进行谐波潮流计算，具有非常重要的意义，是谐波分析、管理和抑制的一项重要基础工作。
参考文献
[1]唐统一，吴震春，孙树勤.电力系统谐波.中国矿业大学出版社，1991
[2]张伏生，耿中行，葛耀中.电力系统谐波分析的高精度FFT算法.中国电机工程学报
[3]中国国家标准GB/T 14s49-93.电能质量公用电网谐波.北京：中国标准出版社，
[4]宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析.中国电力出版社
[5]林海雪.公用电网谐波标准.大众用电