浙江省谐波污染源调查统计及分析

2020-12-09马智泉徐群伟

浙江电力 2020年11期

马智泉，查蕾，胡谆，李培，徐群伟

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

随着浙江省产业结构升级，对电能质量敏感的半导体产业、大型数据中心、高端装备制造和精细化工等产业迅速兴起，高端电力用户对高品质电能的要求和依赖性越来越高，提供洁净、高标准的用电环境是电网公司新的使命与挑战[1-2]。

用户侧的电力质量需求提升，浙江省源-网-荷三侧的谐波污染源总量却在不断攀升。东部沿海风电基地建成后，电力电子发电设备比重迅速提升，大型海上风电全功率变流、长距离海底电缆等并网特性下不可避免地产生谐波问题[3]。负荷侧电力电子型负荷迅速增加，如工业企业推广变频器、电动汽车充电站迅速推广等，用电侧谐波预防控制与治理的压力日益增大，准确的谐波污染源定位和责任划分是开展谐波治理的重要前提[4]。电网侧新建换流站工程众多，新型柔性换流站实际运行中遇到的谐波电能质量问题尚未得到充分研究。类似云南鲁西工程“4.10”1.27 kHz高频谐振[5]、渝鄂柔直背靠背1.8 kHz 高频振荡[6]等谐波/谐振问题，在浙江多端柔性输电工程中也曾有发生，并造成继电器等设备损坏。新型电力电子工程的谐波问题仍需要更深入的研究。

为更好地提供优质电力服务，保障浙江经济社会发展，开展了全省范围内谐波污染源调研和统计。根据产业特点以及污染源性质对谐波污染源进行分类，收集谐波污染源的现场测试数据，分析谐波污染源现状以及污染水平。结合浙江省主要典型的谐波异常和事故案例，简要分析电子化电网的谐波问题，并根据实际工程条件提出技术解决措施。

1 浙江省谐波污染源普查与统计

1.1 谐波污染源调查分类与统计原则

谐波污染源调查参照国家标准《国民经济行业分类》（GB/T 4754—2017）[7]和行业标准《电能质量现象分类》（NB/T 41004—2014）[8]，调研各个地区公司的谐波污染源分布情况。按照污染源所处行业、负荷性质等分类，调查整流、变频等工业企业，风电光伏等新能源发电厂（站）以及直流换流站接入对电网造成的谐波污染影响，制定全省污染源台帐。

为调查分析更加清晰方便，结合实际情况，将全省谐波污染源分为常规谐波用户、新能源发电企业、交通行业和换流站等四大类，见表1。常规谐波用户指使用了大型整流、变频等非线性电气设备的工商业电力用户负荷，如轧钢厂、化工厂等；新能源发电企业主要是指采用非同步发电机发电方式的企业，如光伏、风电等；交通行业主要包含电气化铁路、城市轨道交通以及电动汽车充换电站等；换流站包括高压直流输电换流站、柔性直流输电换流站、城市配网柔性换流站等。

参照《电力系统电能质量技术管理规定》（DL/T 1198—2013）[9]的要求。将符合表2 的谐波污染源纳入调查统计范围。

1.2 谐波污染源用户整体调查结果

全省统计有谐波污染源用户1 124 个（不含电网换流站），其中，常规谐波污染用户625 个、新能源发电厂（站）371 个、交通行业用户128 个。全省谐波污染源分布情况如图1 所示。全省谐波污染源中，220 kV 电压等级接入43 个、110 kV 电压等级接入74 个、35 kV 电压等级接入105 个、20 kV 电压等级接入74 个，10 kV 电压等级接入828 个，各地市的谐波污染按电压等级分布如图1 所示。其中：10 kV 电压等级接入的谐波污染源数量最多，以常规谐波用户居多；20 kV 电压等级以光伏发电为主；35 kV 和110 kV 电压等级以常规和新能源为主；220 kV 以电气化铁路牵引站为主。

表1 谐波污染源的统计分类

表2 谐波污染源的统计范围

2 常规谐波污染源调查结果

2.1 常规谐波污染源整体统计

参考GB/T 4754 标准的行业分类，常规谐波污染源按行业分类见表3。浙江省共有常规谐波污染用户625 个。按行业类型统计，共有冶金178个、机械198 个、纺织119 个、化工55 个、电子15 个、其他66 个，见图2。

图1 浙江省谐波污染用户统计

表3 常规污染源的行业分类统计说明

表4 参照DL/T 1198—2013 开展负荷性质分类。为方便地市供电公司统计，对负荷性质分类做一定的简化，负荷共分为电弧型、整流型、变频型和冲击型四大类，共有电弧型95 个、整流型87 个、变频型399 个、冲击负荷型44 个，全省常规谐波污染用户负荷类型构成见图2。电弧型负荷为交流电弧炉负荷，暂未统计到直流电弧炉负荷；整流型负荷主要包括电除尘器等使用整流设备负荷；冲击型负荷主要为交流电弧炉之外对电网同时造成谐波、电压波动的负荷，包括轧机、电焊机和门吊等。主要污染负荷类型以变频型居多，占比为63.8%。电弧型、整流型、变频型和冲击型负荷的总容量分别为648 MW，393 MW，937 MW 和184 MW，变频负荷同为最大。

图2 浙江省常规谐波污染统计

表4 常规谐波污染源的负荷性质分类说明

2.2 常规谐波污染源的谐波特性

浙江省各地市供电公司通过在线监测或者现场测试等手段[10]，开展用户电能质量日常管理。2010—2019 年，累积省内钢铁等多个行业的谐波测量数据。常规谐波污染源用户电源进线处现场测量的典型谐波特性见表5，测量发现多个行业的用户谐波普遍超标。典型谐波一般为5 次、7次、11 次等奇数次谐波，以5 次谐波最为普遍。冶炼企业如电弧炼钢存在3 次谐波，并且其他各次谐波电流含有率较高[11]，因其负荷电压等级高且容量大，对浙江电网电能质量影响最大，且存在电网电容器等设备损坏的案例。影响其次为印染等纺织行业，其多以工业聚集区的形式并网，造成电网接入点重度谐波污染。

表5 常规谐波源的谐波电流实测特性 %

3 新能源调查结果

3.1 新能源整体统计

浙江省新能源厂（站）共计371 个，统计结果见图3。调度口径新能源装机容量10 720 MW，风电1 880 MW，光伏8 840 MW[12]。全省已建成以陆上风电为主的28 个大中型风电场，受气象和地理条件等自然资源影响，未来省内陆上风电新建项目较少；海上风电场已建成2 座，筹建和在建嘉兴1 号，岱山1 号、2 号、4 号，嵊泗5 号、6 号等海上风电场，未来海上风电装机容量将超过6 000 MW。光伏以嘉兴地区数量最多，未来分布式光伏装机将超过8 000 MW，约占全省电源容量的10%。

图3 浙江省新能源场站统计

3.2 新能源的谐波特性

新能源并网通常采用双馈风机（陆上风电），直驱风机（海上风电）和光伏逆变器，整体谐波水平良好，绝大多数工程均能满足国家标准要求。海上风电场通常采用长距离海底电缆并网，电缆的容性效应使得海上风电场的谐波问题比陆上风电更突出[3-13]，浙江某海上风电在低风速工况下检测到谐波电流超标。新能源谐波特性谐波电流实测情况见表6。

4 交通行业用户的调查结果

4.1 交通行业用户整体统计

交通行业用户包括电气化铁路、城市轨道交通、电动汽车等。全交通行业用户变电站128 个，其中，电气化铁路46 个、城市轨道交通8 个、电动汽车74 个；采用220 kV 电压等级接入的28个、110 kV 接入的11 个、10 kV 接入的81 个（如图4）。电气化铁路接入电压等级主要为220 kV，城市轨道交通主要为110 kV，电动汽车充换电站主要为10 kV。

表6 新能源谐波特性谐波电流实测特性 %

图4 浙江省交通行业用户统计

4.2 电气化铁路牵引站统计

全省交通行业用户中，对电网电能质量影响最大的是电气化铁路牵引站，牵引负荷为大功率、非正弦性、非对称性、非连续性负荷。表7 和图5 统计了已建成的电气化铁路工程。

按工程建设角度统计：萧甬、沪杭、浙赣和宣杭为既有铁路电气化改造，其余为新建工程。

按铁路类型统计分成货运、客运和客货混跑。其中，客运铁路有3 个速度等级： 350 km/h 高铁（沪杭高铁等）、250 km/h 动车（甬台温等）、160 km/h 市域铁路（温州市域铁路等）。

按供电角度统计：大部分牵引站（250 km/h 及以上设计时速）以220 kV 接入；220 kV 等级供电的牵引变除杭甬高铁涌潮牵引站外，均采用VX接线，涌潮牵引站国内首个试点采用220 kV 平衡变接线；110 kV 等级供电牵引站接线有单相、VX 和平衡变，新建工程一般采用平衡变。

表7 浙江省已建成的电气化铁路工程

图5 浙江省电气化铁路牵引站统计

除已建成13 条铁路的46 座牵引站外，浙江省内在建和拟建工程有杭绍台（5 座）、衢宁（4座）、商合杭（1 座）、金台（4 座）、甬金（4 座）、穿山港（1 座）、筹备湖苏沪、杭临绩、甬舟、苏嘉、沪乍杭、杭衢、衢丽、金建。预计全部投产后，全省电气化铁路牵引站将超过70 个。

4.3 城市轨道交通和电动汽车统计

城市轨道交通主要包括杭州和宁波地铁。浙江省轨道交通发展相对北上广等城市滞后，但随着地铁建设项目推进，轨道交通用户专用变压器的数量将迅速增加。

电动汽车主要包括电动汽车充换电站。为保护环境，浙江省内逐步将石化燃料改公交为纯电动公交，如杭州市公交集团已建成13 个电动公交集中充电场，运行纯电动客车2 312 辆，占全市4 974 辆公交车总量的46.48%，其中比亚迪纯电动客车1 820 辆，占纯电动汽车比重为78.72%。

4.4 交通行业用户的谐波特性

交通行业用户谐波负荷见表8，测量特性见表9。电气化铁路的主要谐波源为电力机车，交直交型与交直型机车的谐波特性差异较大,和谐号机车为主的客运专线谐波水平较韶山系列机车仍然服役的货运铁路明显改善。城市轨道交通谐波源除了地铁24 脉动整流器之外，还需要考虑地铁的中央空调负荷。电动汽车充电站的谐波特性取决于充电桩的整流工作原理。PWM 整流相对于6 脉动/12 脉动整流，其谐波水平明显改善，且交流侧功率因数更高，现已在杭州市公交充电站普及应用。

表8 交通行业用户的谐波污染负荷

表9 交通行业用户的谐波电流测量特性 %

5 电网换流站的调查结果

5.1 浙江省换流站工程统计

常规、新能源和交通业谐波源为电网外部谐波源、电网内部装设大容量换流设施的直流换流站等。目前全省已建成的换流站10 座，种类主要有LCC（换相换流器）和MMC（模块化多电平换流器），统计情况见表10。

浙江省内已建成高压直流输电换流站主要有金华和绍兴2 座直流特高压换流站，其LCC 换流器均采用晶闸管换相的双极双十二脉动结构。在建工程有溪洛渡-浙江第三直流特高压工程，预计建成后接入浙北电网。

表10 浙江省已建成的换流站

基于MMC 技术的柔性直流输电技术供电具备控制灵活的独特优势，在浙江省内海岛电网和城市多端电网得到推广应用，建成舟山五端柔性直流输电和大江东直流配电网等工程。在建有海宁城市能源互联网工程。

5.2 换流站的谐波特性

高压直流输电换流器谐波特性为十二脉动整流器的特性，整个换流站谐波特性还需考虑滤波器等无功设备，见本文6.3 节。柔性换流站的电平数较多，换流器端口的谐波电压畸变小，其应以谐波电压源的形式表示表征谐波特性。舟山多端柔性输电换流站投运后测试结果表明，若电网背景谐波畸变较大，柔性换流站亦会流经较大谐波电流。受背景谐波水平差异影响，舟山工程的5 个换流站即使设计相同，其谐波电流水平也不尽相同。换流站典型特性见表11。

表11 换流站的谐波电流测量特性 %

6 浙江省的典型谐波污染案例

截至2019 年底，浙江省110 kV 及以上电压等级变电站（含换流站）共1 808 座，其中已装设电能质量在线监测变电站493 座，占比27.3%。监测系统统计，共有72 座变电站存在谐波电压超标，监测超标变电站比率约14.6%。绝大多数谐波超标变电站为5 次谐波超标，少部分为7次、11 次谐波超标。

2010—2019 年，谐波问题导致的电网/设备异常事件统计见表12。因谐波超标造成电容器振动、跳闸或损坏是电网运行中最常见的电能质量问题，除电容器异常外，谐波干扰正常生产或者设备损坏的恶性事件也偶有发生。

表12 谐波污染导致的异常事件统计

本文6.1 节的案例，工业聚集区谐波污染导致电网电容器振动和损坏。除无功设备异常外，谐波传导可导致设备的异常退出，如本文6.2 节案例，钢铁厂电弧炉谐波通过公用电网传导，干扰了风电场风机运行。

随着输/配电网电力电子化，新型谐波问题日益突出，谐波影响范围从小区域电网扩展到浙江全网，如本文6.3 节，特高压换流站特定组数双调谐滤波器运行造成超高压电网5 次谐波超标；电网运行中出现高频/超高频谐波异常，如6.4 节柔性配电网孤岛试验过程中的超高次谐波水平激增的问题。

6.1 工业聚集区的谐波污染及治理

如图6 所示，绍兴某工业集聚区遍布多家中小容量印染工业用户，用户协议容量一般在2.5～10 MW，通过10 kV 线路接入110 kV 变电站。印染用户广泛采用电除尘器和变频器，谐波污染较大，2014 年的现场测试发现印染用电企业的5次、7 次谐波电流严重超标，单个用户谐波电流总含有率超过15%。

图6 工业聚集区的重度谐波污染

单个印染用户的谐波超标对电网的影响相对有限，然而工业区的用户负荷性质基本相同，在多个用户的谐波电流共同作用下，产生“聚沙成塔”的效应，极端工况下导致110 kV 变电站的10 kV母线电压谐波总畸变率严重超标（高达12%，国家标准限值4%）。变电站电容器因谐波产生振动和过热而无法正常运行，其中1 台电容器的串联电抗器因剧烈振动产生裂纹。无功设备无法投运导致2 台50 MW 主变压器有功功率送出能力总共降低了10 MW。

为解决工业聚集区的重度谐波污染问题，绍兴供电公司从电网侧和用户侧同步开展谐波治理。电网侧对变电站电容器组的串联电抗器进行定制化改造，采用等效磁密原理设计抗谐波铁芯电抗器[14]，提升了设备的谐波耐受程度；用户侧治理在用户配电房增加APF（有源电力滤波器），从源头减少印染企业的谐波电流。经治理后，变电站电压谐波总畸变率由12%降至3.6%，功率因数由0.92 提高至0.94，电能质量改善效果明显。

6.2 钢铁企业谐波对新能源的干扰

丽水某风电场与大型钢铁厂接入电网同一段110 kV 母线。风机为DFIG（双馈异步风力发电机），风机变流器的690 V 转子侧装设LC 型滤波器。周边的钢铁厂利用夜间谷电生产，大型电弧炉的23 次谐波通过互联电网恶化了风机转子侧的谐波电压畸变水平，造成风机滤波电容C1 谐波电流超限，风机安全链由此发出退出运行命令，导致风机夜间运行经常批量脱网。系统示意见图7，现场测试波形见图8。

图7 丽水某风电场电气接线示意

图8 风机690 V 转子侧电压的录波

6.3 换流站滤波器放大背景谐波

金华、绍兴换流站的双十二脉动换流器特征谐波为11 次、13 次、23 次、25 次，配置滤波器为HP12/24 双调谐滤波器。滤波器设置2 个调谐点的用途是滤除换流器特征谐波。500 kV 电压等级除换流站外，不再单独设无功补偿装置。HP12/24 为大容量无源器件，单个换流站配置容量超过3 500 Mvar。根据HP12/24 电路特性，其在5 次等低频段呈容性，投入会改变整个电网低频段谐波阻抗，部分工况下可能造成背景谐波放大[15]。考虑电网背景谐波、换流器和滤波器的谐波网络分析模型见图9。现场试验可以验证不同滤波器组数下的500 kV 母线谐波电压水平，见图10。

图9 含换流站滤波器的背景谐波分析

图10 绍兴换流站谐波现场测试

文献[16]介绍2018 年绍兴特高压换流站检修期间的现场测试案例中，不同滤波器运行组数情况下换流站500 kV 母线谐波电压的测量结果差别较大，滤波器全停情况下电网5 次背景谐波仅有约1.4%的水平。部分组数情况下谐波电压测量结果超标，其中投入6 组双调谐滤波器时，电网背景谐波放大情况最严重，5 次谐波电压飙升达4.5%，并导致周边500 kV 电网的5 次谐波指标大面积超标。

6.4 柔性配电网的高频谐波传导放大

近年来，MMC 被应用于省内大江东、海宁等柔性配电网示范工程。换流器采用NLM（最近电平调制策略），使换流器端口谐波电压含量保持在较低水平，从理论分析以及现场测试，通常可认为单次谐波不超过1.2%。

另一方面MMC 是富含多种高频谐波分量的宽频域变流器，高频分量指标虽不高但是覆盖频率范围大。换流器通常采用电缆并入城市配电网，如果考虑长距离电缆分布电容的影响，可能导致城市配电网2～150 kHz 的超高次谐波[17-18]传导放大。

MMC-长电缆-电网的小系统数学模型见图11。无源孤岛等弱电网运行条件下小系统存在高频谐振点。高频谐振点主要与电缆分布电容，换流器的桥臂电抗器参数有关。

图11 柔性配电网的谐波电路

文献[19]于2018 年测量了江东柔性配电网高频谐波畸变水平，测试波形见图12。正常运行情况下示范工程的电能质量水平较好。柔性配电网切换到孤岛模式后，系统并网点长征变电站10 kV 母线网侧电源断开，直接由换流器供电，此时10 kV 母线47 次谐波电压含量骤然升高达7.61%，远超变流器端口0.82%的水平。现场测试说明，如果使用孤岛运行模式，需要技术上避免电网侧的高压电缆头位置产生高频谐振。后续工程改造可考虑电网侧增设阻波高通滤波器[20]滤除高频谐波。