GB/T 14549—93与IEEE std.519:2014谐波电流限值确定方法对比

宋一凡，赵贺，沈俊言，陶顺，马喜欢，徐永海

(1.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

0 引言

随着电力系统发展，非线性设备接入电网的规模越来越大，随之而来的谐波问题对电能质量也产生了很大的影响[1-4]。谐波问题的治理是世界各国面临的重要挑战，各个国家和组织制定了标准规范来保障电能质量，以保证电网的安全可靠运行[5-12]，如 IEEE std.519:2014 与 GB/T 14549—93。这两个标准都规定了公共连接点的谐波电压和用户的谐波电流限值或用户谐波电流的分配方法，以限制用户注入系统的谐波大小。

IEEE std.519:2014对用户的限定值定义为谐波电流最大值占总需量电流的比例。文献[13]认为，这种限制规定方式避开了计算系统谐波阻抗的难题，使得该标准在应用中更为简便；文献[14-15]认为，在谐波限值制定时，应考虑谐波发射量的随机性，IEEE std.519:2014分别对日99%概率大值、周99%、95%概率大值做出了规定，使得该标准具有更强的实用性；文献[16-17]认为，IEEE std.519:2014在电流限值方面引入谐波电流总需量畸变率的概念使得其更加合理，并且该标准通过短路比的方式对用户进行衡量，为短路电流的设定留下了一定的裕度。IEEE std.519:2014中所提出的谐波限值虽然实用性较强，但其合理性却受到了部分学者的质疑。文献[18]提出，IEEE std.519:2014限值制定方式过于简单，不可能充分考虑配电系统供电容量、馈线数量、电压等级等随机性，并通过多馈线模型的算例分析，说明IEEE std.519:2014中谐波限值的计算方法会导致谐波电压的计算值高于实际系统中的电压失真水平；文献[19]认为，IEEE std.519:2014中所提出的有关限值来源于实际的工程经验，因此在应用时也应作为实际工程中的参考，并非强制性要求，PCC处谐波电流限值超标后，不应立即加装滤波设备，而是应该经过全面地检查后依据其结果进行判断；文献[20]以交流电弧炉所产生的2次谐波为例，说明IEEE std.519:2014所提出的限值在应用时可能过于苛刻，依照该标准进行谐波治理会带来不必要的投资，甚至难以达成治理目标。

对于GB/T 14549—93，文献[21]提出，在电网实际运行过程中，可能会出现用户协议容量之和大于供电设备容量的情况，根据GB/T 14549—93提出的限值计算方法，会出现用户谐波电流不超标而公共连接点注入电网的谐波超标的情况；文献[22]认为，GB/T 14549—93在科学性、可操作性和表述的明确性等方面存在一定的问题，这将增加该标准的执行难度，不利于电网谐波治理。

目前围绕 IEEE std.519:2014 与 GB/T 14549—93所提出的谐波限值虽已有了很多观点，但对于其限值确定方式的讨论还比较少，如何确定各个用户中的谐波电流限值则是2个标准在实际运用中的关键，对此两标准呈现明显不同。值得关注的是，在修订过程中的GB/T 14549拟采用IEEE std.519中单个用户的谐波电流发射限值的规定。为此，本文从 GB/T 14549—93 和 IEEE std.519:2014 两个标准中谐波电流限值确定方法的推导入手，进行对比和分析。

1 GB/T 14549—93分配方法

GB/T 14549—93基本与国际电工委员会IEC 61000电磁兼容系列标准中的谐波相关规定具有一致性，但也存在一些不同。

1.1 谐波电压限值的分配

首先，GB/T 14549—93 参考了 IEC/TR 61000-3-6中谐波电压规划水平的相关内容，提出了中国电网公共连接点处的谐波电压限值，如表1[23]所示。

表1 GB/T 14549—93中谐波电压限值Table 1 Harmonic voltage limits in GB /T 14549—93

GB/T 14549—93中的谐波电压限值考虑了传递影响的分配与谐波电流限值在用户间的分配，在思路上也IEC/TR 61000-3-6基本一致，但计算方法有些不同。

IEC/TR 61000-3-6中提出，基于谐波叠加定律，本级的实际总谐波电压是上游系统的谐波传递量和接入该级的（含低压的）用户和设备谐波发射量矢量叠加的结果[24]，即

式中：GhMV+LV为h级的谐波注入量；LhMV为h级谐波规划水平限值；LhUS为h级上游系统谐波的规划水平限值；ThUM为h级谐波电压从上游系统传递到h级系统的传递系数，对于初步简化评估，可以等于1；α为叠加系数。

文献[23]在表1中所提出的各级电网谐波电压限值中包含了上一级电网传递至本级电网的谐波电压。推导文献[23]中公共连接点在基准短路容量下各电压等级允许注入的谐波电流值在本级产生的谐波电压值与表1中谐波电压限值的比值关系，可以得到以下结论。

（1）上下级电压之间的传递系数为0.8。

（2）国标虽然没有针对220 kV系统给出谐波电压限值，但在传递上，将220 kV系统对110 kV系统的传递量取值为：总谐波电压畸变量0.8%，奇次谐波电压0.6%，偶次谐波电压0.3%。

（3）文献[23]中计算电压叠加量时，与式（1）不同，采用的计算公式为

在计算与上级传递量叠加值时，取相位角为60°，可简化为

式中：上级传递谐波电压量Uh,up与本级产生谐波电压量Uh,lo采用式（3）进行叠加不应超过表1中的本级总谐波电压的限值Uh,to；从而可以计算出本级电网所引起的谐波电压允许值Uh,lo为

由式（4）得到允许本级电网产生的谐波电压限值如表2所示。%；UN为系统标称电压，kV；h为谐波次数。

表2 GB/T 14549—93中允许本级接入引起的谐波电压限值Table 2 The allowable harmonic voltage limits in GB /T 14549—93

1.2 公共连接点谐波电流限值及其在用户间的分配

根据表2中本级谐波源允许引起的总谐波电压值，可以求出文献[23]中不同基准短路容量下的注入公共连接点的谐波电流允许值为

式中：Ihp为本级用户允许接入公共连接点的h次谐波电流值，A；Sk为系统的短路容量，MV·A；为允许本级接入引起的h次谐波电压限值，

针对偶次与除3的倍数次的奇次谐波进行计算时，以式（5）的计算结果作为允许本级接入的谐波电流限值；在针对3的倍数次的奇次谐波进行计算时，以式（5）计算结果的60%作为允许本级接入的谐波电流限值。

式（7）为文献[23]中的谐波电流分配公式；式（8）与文献[24]中的谐波电压限值分配公式（如式（9））一致。值得注意的是，由式（2）和式（8）可知，文献[23]中谐波电压和谐波电流的叠加方式有所差异，即

式中：EUhi为供电设备i的h次谐波电压发射限值，%。而文献[23-24]中的叠加指数α在不同频次上考虑相位的差异取值有所不同，对比如表3和表4所示。

表3 GB/T 14549—93中α取值Table 3 The value of superposition indexα in GB /T 14549—93

表4 IEC/TR 61000-3-6:2008中α取值Table 4 The value of superposition indexα in IEC/TR 61000-3-6:2008

IEC/TR 61000-3-6:2008中提出，α的取值应考虑各次谐波电压幅值和相位的随机变化程度。低奇次谐波为主要频次，取指数为1表示谐波相位差为0，约束更严格；高次谐波取指数为2表示相位差为90°，约束宽松些，而对于5～10次谐波，取指数为1.4表示相位差70°左右。

文献[23]中所提出的谐波电流限值的确定方式是以确保谐波电压可接受为目的。在谐波电流允许发射限值分配上，考虑不同用户谐波源的h次谐波电流相量叠加的关系，根据用户的协议容量与公共连接点的供电设备容量的比值的α开方进行谐波电流限值的分配。

2 IEEE std.519:2014中限值确定方法

IEEE std.519:2014直接规定了公共连接点的谐波电压限值和接入公共连接点的电力用户的谐波电流发射限值[25]。潜在假设是，限定用户的谐波电流注入量，可使公共连接点谐波电压在允许的限值范围内。公共连接点处允许注入的总谐波电流最大值可以表示为

式中：λHRIh为公共连接点处的谐波电流限值，A；为公共连接点处负载总最大需求电流的基频分量。

单个用户允许注入公共连接点的谐波电流最大值可以表示为

式中：Iih为用户i允许注入的h次谐波电流最大值，A；IiL为用户负载最大需求电流的基频分量，A。在谐波电流限值相同的情况下，由式（10）（11）可得

对比式（7）与式（12）可以发现，当式（7）中叠加系数α取值为1时，两式相同。对较低频次谐波，文献[23]中α值接近于1，两标准分配方式近似一致。而在频次较高时，文献[23]中α取值接近于2，而式（12）所表示的叠加关系不发生变化，两标准的分配方式呈现明显的不同。

由式（12）可以看出，在谐波限值不变的情况下，谐波电流限值在用户之间是根据协议容量大小进行线性的分配。但文献[25]中根据短路比的不同所制定的谐波电流限值也有所不同，这会使得单个用户的谐波电流限值与PCC点处总负荷的谐波电流限值可能不同，不再满足式（12）中的线性分配关系。因此，引入谐波电流聚集因子的概念[19]，用以描述谐波限值在用户之间的分配关系。

在短路阻抗不变的条件下，根据系统所允许的谐波电压最大值，可以推导出系统允许的单个用户谐波电流注入量如式（8）所示。

以用户协议容量SCR为基准值，可以获得系统短路阻抗标幺值[14]为

由式（10）（11）可以推导聚集因子 β的关系为

由式（8）和式（14）可知，该标准确定用户谐波电流限值关键在于谐波电流聚集因子β，但该因子取值是多方面因素综合的结果，取决于短路比、谐波频次和公共连接点所接入的用户数量等。经观察文献[25]中谐波电压与用户谐波电流限值，很难得到β的确定表达式。其给出的允许谐波电流百分比值更多是基于现场工程经验近似确定[19]。对于任意用户，该百分比值是该用户按其需量负荷电流所允许发射谐波电流极限值；在用户接入后，可能会导致系统公共连接点的谐波电压超过限值，因此对大容量用户接入，需要结合仿真分析计算进行认真核对、测试与验证，才能确保系统的谐波电压质量。

3 案例对比

现以基准短路容量为 100 MV·A 的 10 kV 供电系统为例，采用容量为 12.5 MV·A 的 35/10 kV 供电变压器，对比分析两标准谐波电压及电流限值在不同协议容量下的差异，以及电流限值差异产生的主要原因。该算例中PCC的最小短路容量等于基准短路容量。

以用户i协议容量为0.5 MV·A的系统为例。基于GB/T 14549—93，允许用户i注入的3次谐波电流最大值为

基于IEEE std.519:2014，该用户总需量电流为

用户i可注入系统的3次谐波电流最大值为

该用户协议容量下及其他用户协议容量下各频次谐波限值计算方法相同，可得在该用户协议容量下各频次谐波限值如图1和图2所示。

图1 奇次谐波电流限值对比Fig.1 Comparison of odd-order harmonic current limits

图2 偶次谐波电流限值对比Fig.2 Comparison of even-order harmonic current limits

由前文分析以及该案例结果可知，（1） 在谐波频次为奇次且频次不大于9的情况下，由文献[25]所提出的电压限值和计算得到的用户谐波电流限值的结果整体大于由文献[23]相关计算值。这是由于文献[23]在计算中所采用的谐波电压限值考虑到了上级的传递量。在频次为奇次且大于9的情况下，二者计算限值结果差异不大。（2）在谐波频次为偶次的情况下，由文献[25]所提出的电压限值和计算得到的用户谐波电流限值的结果整体小于由文献[23]相关计算值。这是由于文献[25]中所提出的偶次谐波的限值仅为奇次谐波的25%，而文献[23]中所提出的偶次谐波限值约为奇次谐波限值的60%。（3）在短路容量相同的情况下，相比于文献[23]，文献[25]计算值在不同协议容量的情况下变化量较大。由式（8）和图1可知，文献[23]采用协议容量与供电容量比值的α开方分配谐波电流限值，受协议容量变化影响相对较小。而文献[25]则是通过谐波电流占需量电流（本例取额定电流）的比例来确定限值，谐波电流限值与协议容量或额定电流成正比，因此会导致谐波电流限值随协议容量有较大的变化。（4）文献[25]用户的谐波电流限值是分频率段给出的。在频率段的边界，往往存在较大的变化。由图1和图2可以看出，在谐波频次为11次及以上的情况下，用户的最大谐波电流值与频次较低时差异较大。这是因为标准中11～17次谐波电流限值较小，仅为3～11次谐波电流限值的45.8%。其中边界11次相比于9次，差异很大。

4 分析与总结

GB/T 14549—93 与 IEEE std.519:2014两个标准对谐波电流限值的表达形式存在差异，限值分配方法也存在异同点，总结如下。

（1）GB/T 14549—93 与 IEEE std.519:2014 皆针对谐波电压和用户的谐波电流进行量化分配与评估，对电力用户均具有公平性。

（2）GB/T 14549—93结合电路谐波传递规律和相位叠加原理，先进行谐波电压限值分配，再按协议容量占供电容量比值的α开方进行谐波电流限值分配。IEEE std.519:2014根据用户实际运行容量，以其最大需量电流为基准，更多依靠现场工程经验确定了用户允许发射的谐波电流值；但在用户接入后，可能会导致系统公共连接点的谐波电压超过限值，因此要加强对谐波的仿真分析、监测与验证。

（3）GB/T 14549—93中所提出的谐波电压限值是上一级传递量和本级注入量叠加的结果，不能够直接作为衡量谐波注入量的依据。但该标准中谐波电压的叠加计算与谐波电流叠加计算存在不一致，且仅考虑了上级系统的谐波传递量的影响，而对于下级系统的影响没有考虑。IEEE std.519:2014中所提出的限值未考虑传递量的叠加。

（4）GB/T 14549—93中提出的谐波电流限值为安培值，其值与用户协议容量和系统最小运行方式的供电容量相关；IEEE std.519:2014提出的谐波电流限值为用户允许谐波电流与其最大需求负载电流的百分数，其值与用户实际运行容量相关，更容易操作。

（5）GB/T 14549—93考虑到国内目前电力系统的实际情况，以60%电压含有率限值来计算3的倍数次奇次谐波电流允许值，IEEE std.519:2014则没有针对3的倍数次谐波的特殊考虑。

（6）GB/T 14549—93 与 IEEE std.519:2014 均未考虑在谐振频率点下的谐波电压或电流约束。

随着电力系统的发展，非线性负荷、经电力电子接口接入系统的负荷越来越多，新能源发电的占比逐步提高，分布式电源分散接入电网的情况广泛存在，电力系统的实际情况更为多变且复杂。在此情况下， 需要合理修订中国谐波标准，确保标准的公平性和可操作性。