计及电采暖类型差异的“煤改电”工程谐波分析与评估

李伟，张帆，张磊，袁泽，周长城，王越，杨建华

（1.北京电力经济技术研究院，北京 100055；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

计及电采暖类型差异的“煤改电”工程谐波分析与评估

李伟1，张帆1，张磊1，袁泽2，周长城2，王越2，杨建华2

（1.北京电力经济技术研究院，北京 100055；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

“煤改电”工程的推进，将有助于北方地区减少污染物排放，改善终端能源消费方式，但影响配电网的供电能力，对配电网造成谐波污染。以电采暖用户的实测运行数据为基础，分析了不同类型的电采暖设备产生的谐波原理和特点，并对不同类型以及采取不同控制方式的电采暖谐波含量差异显著现象进行了分析。利用仿真软件DIgSILENT的谐波潮流计算及分析模块，搭建了含电采暖设备的低压配电网仿真模型。谐波仿真结果表明，如果低压配电网中连接了部分谐波含量较高的电采暖设备，在低压配电网产生的谐波污染是不可忽略的，尤其是在配电网末端的谐波污染最为严重。可为确定不同电采暖设备的谐波含量准入标准提供参考。

“煤改电”工程；谐波潮流；低压配电网；配电网评估

近年来，北方的雾霾情况日趋严重。作为大气污染的重要污染源之一，冬季农村地区燃煤采暖的煤烟排放需要得到妥善的治理。国家电网公司推动的“煤改电”工程，通过以清洁高效的电能替代污染严重的燃煤，在保证城区和农村地区居民冬季采暖的同时，也成为冬季节能减排的重要措施之一。

电采暖设备在农村地区的推广与应用，涉及到低压配电网的规划改造、供电调度、电能质量评估、电采暖设备的选型以及“煤改电”经济效益评估等诸多方面。文献[1]中提出了用户终端市场的电能替代理论，从经济性和实用性方面系统地分析了各种电采暖技术的应用情况。文献[2]结合农村实际“煤改电”工程，提出了规划及改造低压配电网的思路。针对电采暖设备的大量接入对低压配电网的电能质量可能存在的潜在影响，文献[3]研究了蓄热式电采暖控制器产生谐波的机理，利用实测数据，说明了降低电采暖谐波含量的技术改进。而电采暖推广的关键因素是其对配电网的影响程度。国内外展开的研究内容包含谐波的产生机理、潮流计算、分析与评估以及治理方案等方面[4-7]。目前针对公用电网接入设备的谐波含量已经有了明确的标准限定[8]，但对于电采暖设备并没有提出明确的谐波限制标准。

目前，在“煤改电”工程规划实施初期，还缺乏对电采暖设备的谐波详细分析和评估。事实上，不同厂家、不同类型和不同控制方式的电采暖设备产生的谐波存在很大的差异性。如何对这种差异性进行比较合理的分析和评估，将会直接影响到低压配电网的优质可靠运行以及每个电采暖用户的用电质量。

本文在介绍“煤改电”工程实施情况的基础上，重点对多种类型电采暖设备在低压配电网中的谐波影响进行分析。在实测数据的基础上，结合DIgSILENT PowerFactory软件仿真结果，提出计及电采暖设备的低压配电网分析评估方法。

1 “煤改电”工程简介

目前我国北方的冬季供热体系中，燃煤仍占据较大比重。随着我国电力行业的发展，提高电力能源在终端能源消费市场的比重，减少化石能源消耗和环境污染，逐渐成为人们的共识[1]。因此，推进北方地区，尤其是广阔的农村地区，采用“以电代煤”的能源消费新方式，将成为减轻城市空气污染的重要方法之一。

在这种背景下，北京市制订了《2013—2015清洁空气行动计划》，要求利用电能或天然气替代供热与工业燃煤，以减少因直接燃煤造成的雾霾天气。“煤改电”工程的实施，不仅将为居民用户的冬季用暖提供可靠保障，同时具有改善空气质量的环境效益以及推进地区电网建设改造的经济效益。

“煤改电”工程的推进不是朝夕之功。工程实施前的规划设计、实施中的工程细节以及实施后的分析评估，都对保证电能改造后的供电要求和电能质量、推动地区电网的科学合理发展具有重要意义[2]。

从目前的实施效果来看，电采暖设备的大量接入，造成了低压配电网，尤其是农村配电网负荷的大幅增加，并且产生了比较严重的谐波干扰和闪变情况。因此，研究不同类型的电采暖设备对配电网电能质量的影响程度，分析并提出电采暖设备的谐波含量指标，对“煤改电”的推进具有一定的参考意义。

2 谐波分析与评估方法

电力电子技术正广泛应用于工业、交通、居民用电设备等方面，极大地促进了现代社会的发展。但由此产生的谐波污染也对电力设备、通信线路的运行和电能用户的用电产生很大影响[4-6]。

研究谐波的产生机理和抑制方法，加强对谐波产生源的监督管理，并对配电网内的谐波进行分析与评估，有助于保障供电终端用户的电能质量[7]。对供电部门来说，评估结果可以分析谐波源对电网的整体影响，了解谐波源投入后的电流、电压畸变情况，从而选择合理滤波装置，将谐波污染控制在规定水平之下。谐波分析的主要步骤如下：

1）确定谐波的度量标准。

2）设定谐波的限制标准。

3）评估电网内谐波情况。

4）制定合适的抑制方法。

现阶段，对于谐波的分析指标主要包括谐波畸变率限值以及各次谐波分量限值。电压波形畸变（THDu）的程度用电压正弦波畸变率来衡量：

式中：Um为第m次谐波电压的有效值；U1为基波电压的有效值。谐波电流畸变率（THDi）的计算与式（1）类似。

低压配电网谐波电压的接入标准如表1所示[8]。

表1 低压电网谐波电压（相电压）限值Tab.1 Phase-voltage harmonic limit in low distribution network

不同电压等级下不同短路容量注入公共连接点的谐波电流允许值也有明确的规定[8]。

对于电采暖设备，目前尚未建立单独的限制标准。而在“煤改电”配套的配电网规划改造中，通常只以满足负荷要求的配变选型、接线方式及线路改造为主，而并未计及大量电采暖设备接入产生的谐波对配电网电能质量的影响。

3 不同类型电采暖实测分析

3.1 电采暖类型及特点

为规范电采暖设备市场，相应的行业标准已经颁布实施。其中规范了各种类型的电采暖的电气安全性能、蓄热性能和温度控制等指标[9]。各种电采暖设备的制热和控制原理都有差异，市面上的电采暖设备类型和特点如表2所示。

表2 电采暖设备类型和特点Tab.2 Types and characteristics of electric heating radiators

3.2 电采暖谐波实测及分析

“煤改电”工程实施过程中，采取政府招投标的方式确定符合性能要求和安全标准的电采暖生产厂家，并允许每户改造的居民自主选择电采暖厂家和类型。这种政策在保证电采暖市场的竞争性和灵活性的同时，也为低压配电网的谐波分析带来了困难。对北方某县进行“煤改电”工程用户电采暖的谐波实测结果显示，不同类型的电采暖设备产生的谐波含量有很大不同。

实测仪器选用由美国FLUKE公司生产的FLUKE 434测量仪。

3.2.1 壁挂式电采暖

壁挂式电采暖作为直接加热的主要形式，因其热利用率高，采暖效果明显，控制简单方便，在农村居民用户家庭中使用广泛。

实测的电采暖用户位于某村委会中，电采暖设备采用温控器实现自动温控投切。该电采暖设备处于低压配电线路中段，改造后的配变容量为315 kV·A。低压配电线路如图1所示。

在电采暖设备设置温度为25℃时，所测量的电采暖设备谐波电压、谐波电流结果如表3所示。

测量结果显示，壁挂式电采暖设备几乎是一种纯电阻式用电设备，运行时电压电流波形畸变量很小，谐波电压电流含量几乎可以忽略不计。

图1 壁挂式电采暖所处的配电线路（单位：m）Fig.1 Distribution lines connecting the electric heating radiator mounted to wall（unit:m）

表3 电采暖设备运行时谐波测量结果Tab.3 Harmonic measurement results of electric heating:radiators on operation %

3.2.2 地热式电采暖

地热式电采暖利用敷设的发热电缆的通电发热作为电能转换方式，并且提供了自动温控装置保证室温稳定。

实测的地热式电采暖位于某村一位居民用户家中。该居民位于台区低压配电线路首端，正常用电时家中设备以空调、冰箱等家用电器为主。本次测量了地热式电采暖运行前后的谐波含量，该用户所处的配电线路如图2所示。

电采暖设备运行前后的电压、电流等情况如表4所示，谐波情况如表5、表6所示。

表4 地热式电采暖运行前后基本参数测量结果Tab.4 Measurement results of the basic data of electric heating radiators before and after the operation of the geothermal-type electric heating

表5 地热式电采暖运行前谐波测量结果Tab.5 Harmonic measurement results without the geothermal-type electric heating radiators %

从表5、表6的谐波电压测量结果可见，用户家中的电压畸变率很小，电采暖设备投入前后电压畸变率基本保持在1.6%左右，高次谐波含量以5次、7次谐波为主，5次谐波含量分别为1.1%和0.9%，均满足表1中的相关要求。

图2 地热式电采暖所处的配电线路Fig.2 Distribution lines connecting electric heating radiators of geothermal type

表6 地热式电采暖运行时谐波测量值Tab.6 Harmonic measurement results of electric heating radiators of geothermal type in operation %

从表5、表6可知，电采暖设备运行前后的谐波电流含量有明显变化。运行前谐波电流畸变率达到4.3%，高次谐波含量以3次、5次、7次谐波为主，分别达到了2.6%、2.3%和1.7%。电采暖运行时谐波电流畸变率下降到1.7%，高次谐波含量以3次、7次谐波为主，分别达到了0.7%和1.1%，5次谐波明显下降，为0.2%。

电采暖设备运行时会产生较大的谐波电流，其含量以3次、7次谐波为主。但是其产生的谐波含量低于用户正常用电时其它设备产生的谐波，因此谐波总畸变率反而有所下降。

测量结果表明，该用户使用的电采暖设备产生的谐波含量低于国家标准，不会对低压配电网产生明显的谐波影响。

3.2.3 蓄热式电采暖

蓄热式电采暖在实际使用时考虑了峰谷电价的区别，在低谷时对水进行加热，并利用不同的储热介质蓄热，在高峰时利用蓄热进行保温。

对北方某县的几个村用户的蓄热式电采暖进行了谐波测量。

1）用户1。用户1家中使用的电采暖设备是热阻丝投切的电采暖，投切策略是角度投切。相应的电压、电流波形如图3所示。谐波电流情况如表7所示。由表6可知，3次谐波高达53.6%，5次谐波高达36.9%，7次谐波高达20.6%，总谐波畸变率74.6%，远远高于国家标准要求的最高谐波含量，对配电网内其他电气设备的使用将产生巨大影响。

图3 用户1电采暖电压、电流波形Fig.3 Voltage and current waveform of electric heating radiators at User I

表7 用户1电采暖谐波电流情况Tab.7 Harmonic current of electric heating radiators at User I %

对用户的实际走访显示，电采暖设备工作时家中的冰箱、电视等家用电器会受到极大的干扰，发出比较明显的“滋滋”声，严重影响用户的正常使用。经过分析，由于这些家用电器普遍采用了开关电源，电采暖产生的谐波对开关电源内部产生了一定的电磁干扰，造成其工作的不稳定[3]。

2）用户2。用户2使用的蓄热式电采暖设备是由可控硅控制的，其投切策略是过零投切。电采暖设备运行时的电压电流波形如图4所示。电采暖运行时产生的谐波情况如表8所示。

图4 用户2电采暖电压、电流波形Fig.4 Voltage and current waveform of electric heating radiators at User II

表8 用户2电采暖谐波测量情况Tab.8 Harmonic current of electric heating radiators at User II %

该蓄热型电采暖设备由于使用了过零投切策略，实际运行时产生的谐波电压及谐波电流含量很小。3次、9次及13次谐波占据了谐波的主要部分。

由此可见，相同类型的电采暖设备，由于生产厂家采取的控制策略不同，产生的谐波情况也不尽相同。因此，对一个低压台区谐波进行评估时，需要对台区内的电采暖设备进行充分的调查统计。

4 配电网谐波仿真评估

4.1 谐波仿真分析思路

在对不同类型的电采暖设备进行谐波测量后，为了确定不同类型的电采暖设备对低压配电网的影响，需要进行谐波潮流计算。

谐波潮流计算相较于普通的潮流计算，原理和计算方法更为复杂，同时易受到计算数据无法直接获取以及计算精度差等限制。鉴于这种情况，可以利用仿真软件进行分析。对于可收集的资料进行整理，部分地区实际测量的谐波数据作为参考，对典型的配电网类型和电采暖设备建立模型，利用DIgSILENT PowerFactory、PSASP等电力仿真软件进行仿真，分析不同类型、不同控制类型的电采暖设备在配电网不同位置的典型谐波情况。

随着数据量收集的增加，需要结合低压配电网的实际情况进行建模仿真，实现对各种类型的电采暖差异化的谐波评估。

4.2 DIgSILENT PowerFactory仿真结果

以PowerFactory为例，建立低压配电网络，说明利用测量数据进行低压配电网谐波评估的思路和方法。

4.2.1 单用户电采暖情况

利用PowerFactory建立的配电网如图5所示。

图5 PowerFactory仿真界面Fig.5 Simulation interface of PowerFactory

图5中设置了3个负荷点，其中电采暖设备位于线路中段。配电变压器设置额定容量为100 kV·A。负荷的视在功率均设置为10 kV·A，功率因数为0.95。对线路中压处的电采暖谐波数据设置的界面如图6所示。数据选用表7中对用户1家中电采暖的谐波测量结果。

图6 PowerFactory谐波仿真设置界面Fig.6 Harmonic simulation setting interface of PowerFactory

仿真结果如图7所示，其中横线柱代表的是低压配电线路首端的情况，实心柱代表的是线路末端的情况。具体数值如表9所示。

图7 单电采暖用户谐波仿真结果Fig.7 Harmonic simulation result with single electric heating radiator user

表9 各次谐波仿真结果Tab.9 Harmonic simulation results of each harmonic %

根据式（1）计算各处的谐波电流畸变率。

低压配电线路首端：

低压配电线路末端：

由仿真结果可知，配电网末端受到的电采暖设备影响明显较首端大，但满足国家的相关要求。

4.2.2 多用户电采暖情况

图7和表9仅是考虑了一户电采暖设备的谐波的情况，可以预测，随着接入的电采暖设备数量的增加，如果对其产生的谐波没有采用合适的方法加以限制，对低压配电网的影响会更加明显。

在DIgSILENT PowerFactory中增加电采暖的接入数量。将3个负荷点处均设置有电采暖设备接入，谐波数据仍选用表7中对用户1家中电采暖的谐波测量结果。仿真结果如图8所示。具体数值如表10所示。

图8 多电采暖用户谐波仿真结果Fig.8 Harmonic simulation result with multiple electric heating radiator users

表10 各次谐波仿真结果Tab.10 Harmonic simulation results of each harmonic %

根据式（1）计算各处的谐波电流畸变率。

低压配电线路首端：

低压配电线路末端：

由仿真结果和计算结果可知，对比单电采暖用户的情况，低压配电线路首端和末端的谐波电流含量均明显增加。其中低压配电线路末端的谐波畸变率从2.951%增加到了28.5%，增幅达到了10倍左右。由此说明，未经谐波调试的电采暖设备在低压配电网产生的谐波污染是不可忽略的，尤其是在配电网末端的污染最为严重。

4.3 评价与改进建议

目前就北京市某区“煤改电”的整村改造进程来看，1台容量为315 kV·A的配电变压器普遍为30户电采暖用户供电，采暖季夜间负载率普遍达到80%以上。从整体来看，电采暖负荷已经达到地区总负荷的20%左右，而根据发展规划，负荷在近几年仍将逐步增加，由此，低压配电网带来的谐波污染是可观的。但是目前为止尚无电采暖设备相应的接入规范出台，对其产生的谐波污染也缺乏分析和抑制措施。因此，一方面，应出台有关接入规范，在国标的基础上针对现有电采暖设备的类型和谐波容量提出要求；另一方面，应对电能质量敏感地区提出有源滤波与电能质量综合治理装置的配置方案。

5 结语

随着“煤改电”工程的推进，大量电采暖设备产生的谐波将直接影响低压配电网的供能质量以及居民用户的正常用电。经现场实测数据表明，不同类型的电采暖设备，其谐波电压和谐波电流有相当大的差异；目前使用的大部分电采暖设备能够较好地控制其谐波含量的产生。

利用DIgSILENT PowerFactory的相关模块，可以搭建农村低压配电网的电采暖设备谐波影响模型。仿真结果表明，如果低压配电网中连接了部分谐波含量较高的电采暖设备，在低压配电网产生的谐波污染是不可忽略的，尤其是在配电网末端的谐波污染最为严重。可为确定不同电采暖设备的谐波含量准入标准提供参考。

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（编辑 董小兵）

Analysis and Evaluation of Harmonic in the Coal-to-Electricity Project Considering Differences of Electric Heating Radiators

LI Wei1，ZHANG Fan1，ZHANG Lei1，YUAN Ze2，ZHOU Changcheng2，WANG Yue2，YANG Jianhua2
（1.Beijing Electric Power Economic Research Institute，Beijing 100055，China；2.College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

The implementation of coal-to-electricity project contributes to reducing the pollutant emission in north China，but affecting the power supply capacity of distribution networks，and bringing harmonic to the grid.Based on the measured data of electric heating radiators，the principles and features of harmonic resulted from different types of radiators are analyzed.The remarkable harmonic differentiation is analyzed.A method for assessing harmonic level of a distribution network is introduced with the simulation software DIgSILENT.A simulation model of a low-voltage distribution network with electric heating radiators is built according to the measured date.The evaluation and analysis of the harmonic level should be done in the design of the coal-to-electricity project according to the harmonic simulation results.

coal-to-electricity project；harmonic power flow；low-voltage distribution network；distribution network evaluation

国家自然科学基金（51507177）；国家电网公司科技项目（EPRIPDKJ[2012]）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51507177）；the Science and Technology Projects of State Grid Corporation of China（EPRIPDKJ[2012]）.

1674-3814（2016）10-0034-08

TM924

A

2016-08-02。

李 伟（1977—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统规划设计；

张 帆（1982—），女，本科，工程师，研究方向为配电网规划与分布式电源接入技术；

张 磊（1987—），男，助理工程师，研究方向为配电网规划与分布式电源接入技术；

袁 泽（1993—），男，硕士研究生，研究方向为配电网规划与电动汽车技术应用；

周长城（1993—），男，硕士研究生，研究方向为配电网规划与分布式电源技术；

王 越（1982—），男，博士，讲师，研究方向为配电网及分布式电源可靠性技术；

杨建华（1963—），男，教授，主要研究方向为电力系统规划与仿真、新能源发电技术等。