文_袁紅斌 國網(wǎng)白城供電公司

隨著大量分布式能源的高密度接入以及柔性輸電技術(shù)的運用，配電網(wǎng)呈現(xiàn)出“源-網(wǎng)-荷-儲”緊密耦合特性；同時，高度電力電子化與強非線性特性使電網(wǎng)中的電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象與交互影響機理錯綜復(fù)雜，配電網(wǎng)側(cè)2～150kHz的超高次諧波含量不斷增加。而在配電網(wǎng)中，超高次諧波的存在會造成電能表錯誤，保護(hù)裝置誤動作，電力線載波通信不能正常工作以及日光燈發(fā)生閃爍，因此很有必要研究超高次諧波對其他設(shè)備造成影響的原因。本文開展超高次諧波對不同類型設(shè)備及配電網(wǎng)運行影響機理研究，通過不同設(shè)備的影響機理，分析超高次諧波造成設(shè)備故障等問題的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對配電網(wǎng)影響的趨勢預(yù)測。

1 超高次諧波對電能表計量的影響

頻率特性曲線能夠表征超高次諧波對電子式電能表計量的影響情況，由于曲線較為平坦，可近似認(rèn)為未發(fā)生衰減，這也表明電能表具有較寬的頻率響應(yīng)范圍，因此在理想情況下，電能表基本上能夠較為準(zhǔn)確地計量諧波功率，同時受頻率增高的影響較小。由于電能表能夠準(zhǔn)確計量負(fù)載發(fā)出和消耗的諧波功率，而諧波功率的正負(fù)對于線性用戶和非線性用戶不同，因此當(dāng)用其計量電能時，線性用戶會被多計量電能，而非線性用戶不但污染了電網(wǎng)而且還被少計量了電能，顯然存在不合理性。但由于電能表對諧波的準(zhǔn)確計量，則在相同條件下，電能表能夠計量更多的諧波功率。

2 超高次諧波對繼電保護(hù)的影響

目前超高次諧波問題有干擾保護(hù)動作的問題，其中在縱連保護(hù)中，應(yīng)用了高頻載波信號，此種頻率的載波與超高次諧波的頻率較為接近，容易對保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾。

2.1 載波保護(hù)（高頻保護(hù)）

由于輸電線載波通道是直接通過高壓輸電線路傳送高頻載波電流的，因此高壓輸電線路上的干擾直接進(jìn)人載波通道，高壓輸電線路的電暈、短路、開關(guān)操作、超高頻諧波等都會在不同程度上對載波通信造成干擾。另外，由于高頻載波的通信速率低，難于滿足縱聯(lián)電流差動保護(hù)實時性的要求，一般用來傳遞狀態(tài)信號，用于構(gòu)成方向比較式縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)電流相位差動保護(hù)。通道傳輸?shù)男盘栴l率范圍一般為50～400kHz，超高次諧波頻率范圍為2～150kHz，兩者存在重疊頻段，因此考慮超高次諧波會對高頻保護(hù)產(chǎn)生干擾，造成保護(hù)誤動或拒動。

2.2 方向比較式縱聯(lián)保護(hù)

利用非故障線路一端的閉鎖信號，閉鎖非故障線路不跳閘，而對于故障線路跳閘，則不需要閉鎖信號，因此在區(qū)內(nèi)故障伴隨有通道破壞(例如通道相接地或斷線)時，兩端保護(hù)仍能可靠跳閘，整定時間一般為4～16ms。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響：區(qū)外故障時，因抵消高頻信號造成誤動；區(qū)內(nèi)故障時，因存在諧波造成拒動。

2.3 縱聯(lián)電流相位差動保護(hù)

僅利用輸電線路兩端電流相位在區(qū)外短路時相差180°、區(qū)內(nèi)短路時相差為0°，也可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外短路，高頻信號的連續(xù)和間斷反應(yīng)了兩端電流的相位比較結(jié)果。超高次諧波可能出現(xiàn)的影響：區(qū)外故障時因抵消高頻信號造成誤動；區(qū)內(nèi)故障時因存在諧波造成拒動。

3 超高次諧波對電力線載波通信的影響

超高次諧波對通信系統(tǒng)有很大的影響，然而徐文遠(yuǎn)教授指出，超高次諧波從發(fā)射源位置行進(jìn)到主要配電網(wǎng)時，幅值會明顯衰減，并且家用電器或其他低壓設(shè)備的前端濾波器可以通過分流濾波進(jìn)一步減少高頻諧波，由于這兩個因素，這些失真不太可能降低電力線通信的可靠性。同樣，對于巴西太陽能發(fā)電廠光伏逆變器產(chǎn)生的高頻諧波失真，其高頻諧波電流畸變可能達(dá)到基頻電流的2%，而高頻諧波電壓仍然低于基頻電壓的0.2%，該結(jié)果表明特定光伏逆變器發(fā)出的高頻諧波失真不太可能對公用事業(yè)造成重大影響。

由于電網(wǎng)中電力電子化電氣設(shè)備的不斷增多，產(chǎn)生了越來越多的超高次諧波發(fā)射，超高次諧波在傳播過程中是否被有效濾除，是電力載波通信能否正常傳輸信息的關(guān)鍵。

4 超高次諧波對其他設(shè)備的影響

4.1 超高次諧波對永磁電機的影響

由變流器輸出超高次諧波會引起永磁電機的附加損耗，該損耗情況主要受制于發(fā)電機結(jié)構(gòu)、變流器載波頻率、變流器調(diào)制比等因素影響。相關(guān)研究結(jié)論普遍表明：采用較高頻率的載波以及較大的調(diào)制比可以有效減小發(fā)電機損耗。進(jìn)一步整理分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載波頻率或調(diào)制比低于某一值時，增大載波頻率或調(diào)制比能有效減小發(fā)電機損耗；高于該值繼續(xù)增大參數(shù)，損耗的下降較為平緩，減弱效果不明顯。因此，可依據(jù)損耗平緩變化段進(jìn)行參數(shù)設(shè)計、超高次諧波影響的量化評估、抑制策略的制定等工作，就文獻(xiàn)中永磁發(fā)電機而言，可以以3kHz載波，0.7調(diào)制比情況下的發(fā)電機損耗(約為額定功率3%)為標(biāo)準(zhǔn)，對超高次諧波影響進(jìn)行評估。

4.2 超高次諧波在牽引機車系統(tǒng)中的影響

高速鐵路牽引機車上普遍采用交-直-交變頻方式，由于其中電力電子器件和高次脈沖整流方式的廣泛使用，諧波中的高頻成分問題變得更加突出，該高頻諧波成分可能引起電纜終端局部發(fā)熱比較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電纜終端絕緣受到破壞，并且隨著時間的增長，牽引機車電纜終端老化程度將會進(jìn)一步加重，有可能導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備絕緣損壞，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。某牽引機車過分相運行一段時間后，電纜終端應(yīng)力控制管處發(fā)生爆炸，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及分析，該現(xiàn)象可能是由于牽引機車過分相后產(chǎn)生的高頻諧波引起電纜終端發(fā)熱，從而導(dǎo)致絕緣擊穿。相關(guān)文獻(xiàn)針對這一現(xiàn)象，對3kHz、5kHz、7kHz等頻率的超高次諧波引起的電纜終端溫度及阻性發(fā)熱功率密度進(jìn)行分析，表明超高次諧波頻率的增加會導(dǎo)致材介電性能的降低，引起終端電場強度的增加，同時引起系統(tǒng)表面溫度升高，并出現(xiàn)明顯熱點，應(yīng)適當(dāng)加裝高頻濾波裝置以延長其電氣設(shè)備的使用壽命。

5 超高次諧波對配電網(wǎng)影響的趨勢預(yù)測

超高次諧波對于配電網(wǎng)的影響應(yīng)引起足夠重視，有必要預(yù)測超高次諧波對配電網(wǎng)的影響趨勢，以提出應(yīng)對之策。對超高次諧波的發(fā)展趨勢預(yù)測，應(yīng)從源頭開始，并對超高次諧波源的未來市場及應(yīng)用進(jìn)行分析，從而得到超高次諧波對配電網(wǎng)影響的趨勢預(yù)測。

伴隨電力電子技術(shù)的發(fā)展、半導(dǎo)體器件的革新以及人類可持續(xù)發(fā)展的需要，光伏發(fā)電、風(fēng)電正快速走向大規(guī)模普及，未來是清潔能源的時代。大量光伏逆變器的投入以及各種開關(guān)電源的應(yīng)用，使電網(wǎng)中混雜的超高次諧波迅速增加。同時，作為“新基建”的重要內(nèi)容，充換電行業(yè)亦掀起新的熱潮，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展從根本上取決于電動汽車的規(guī)模化發(fā)展，但距離車樁比1：1還有較大差距，充電樁仍存在缺口，充電設(shè)備單元等大型設(shè)備的制造商往往使用有源功率因數(shù)校正器或者PWM整流器等開關(guān)型電力電子設(shè)備，來滿足限值要求和提高設(shè)備的效率，這些技術(shù)會導(dǎo)致2～150kHz頻率范圍內(nèi)的諧波發(fā)射?？梢婋S著接入電網(wǎng)中的電動汽車充電樁數(shù)量的增加，若無相關(guān)諧波抑制措施，電網(wǎng)中的超高次諧波含量越來越大。此外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，功率變換器朝著高頻化的方向發(fā)展，輸出諧波頻次越來越高，諧波污染情況不可忽視。

未來分布式電源、儲能、電動汽車等廣泛布置在配電網(wǎng)中，這些設(shè)備均采用電力電子變換器與電網(wǎng)連接，以及變頻器、低壓FACTS等具有諧波源特征裝置的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)未來必然增加更多的超高次諧波，若不加以抑制，采取一定緩解措施，電網(wǎng)中的超高次諧波水平將隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而持續(xù)走高，對配電網(wǎng)的影響會愈加嚴(yán)重。

6 結(jié)語

隨著光伏逆變器、電動汽車等超高頻次諧波源越來越多接入電力系統(tǒng)，電網(wǎng)中超高次諧波問題越來越突出，主要體現(xiàn)在電力載波通信故障方面，為此本文通過超高次諧波對典型設(shè)備的影響研究，量化了超高次諧波對電力線載波通信以及計量裝置的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了超高次諧波對配電網(wǎng)影響的趨勢預(yù)測，能夠為超高次諧波的限值設(shè)定與防治技術(shù)提供參考。