治理諧波 創新設備 推動行業可持續發展

了解國際前沿技術、擴展領域視野是行業進步的思想源泉，日前，CIRED組委會圍繞今年6月在瑞典斯德哥爾摩召開的國際供電會議（CIRED2013）在北京組織“2013國際供電會議專題報告會”，與供配電領域科技人員分享國際先進配電技術。

諧波治理問題成為重要議題

智能建筑中大量的電子設備及電氣設備產生的諧波對配電系統污染嚴重，原本運行正常的供配電系統效率下降、電氣火災、計算機無故重啟、電容器燒損、變壓器未過載超溫等“怪事故”的頻出無不與諧波有關，諧波的危害在建筑供配電系統中已到了不容忽視的程度，因此，2013年國際供電會議對低于2kHz和2kHz至150kHz之間的諧波問題開設專題討論，本次報告會對專題內容進行了剖析，從諧波的生成和最新進展視角入手，探討諧波治理問題。中國電力科學研究院教授級高工張祖平介紹說，白熾燈被有電子鎮流器的現代燈具所替代；基于逆變器的發電形式（如光伏發電逆變器）被越來越多地使用；未來配電網在用戶、分布式發電和配電網及其運行方面發生的根本性變化，都是諧波畸變的潛在來源。他總結概括諧波畸變產生的原因主要來自非線性阻抗產生的低頻畸變、開關設備投切產生的畸變、短路功率的影響、頻率的變化以及新型設備產生的高頻畸變的影響越來越大等六個方面。

關于設備的諧波問題，張祖平表示，典型的現代電子設備產生的諧波頻率較高，為使設備不受諧波影響，其諧波測量的方法和測量精度以及諧波建模和網絡諧波測量的結果及案例研究等都需要進行研究。他具體地說，額定電流小于16A的設備在按照A、B、C、D四級分類的基礎上，要考察設備的市場滲透力、使用的同時率、產生的各種諧波畸變以及其使用的時間等。其中A類包括平衡三相設備、白熾燈調光器、音響設備以及一切未被分類為B、C或D類的設備，B類為便攜式工具、非專業的弧焊設備等，C類為照明設備，D類包括個人計算機和個人計算機監視器、電視接收機。對于這些設備的總諧波畸變的考察后，可通過無功率因數校正、無源功率因數校正、有源功率因數校正三種方式解決。

電子設備產生諧波畸變的影響會達到何種程度？張祖平說，設備的諧波頻率越高，電路中并聯電容器的阻抗越低。總體來講，電源電壓引起的高頻畸變因不同設備的靈敏度不同而不同。在諧波頻率范圍內，會顯著增加電流消耗。如果沒有瞬時故障，高頻分量的水平通常低于10%。電路元件（如直流母線上的電容器）的溫度上升可能會降低設備壽命。

小型光伏逆變器因其更高的能源產量、安全性以及組件級監控能力，在住宅建筑等小型項目中極具吸引力。截至2011年，德國大約安裝了25GW的光伏發電，其中約80%的光伏發電為低壓安裝，進而擴大了小型光伏逆變器的應用規模，但小型光伏逆變器高低頻的諧波畸變問題也隨之而來。張祖平說，在實驗室測量三種不同型號的單相光伏逆變器，其較高頻率的諧波畸變，幅度有顯著差異。分析其原因為諧波畸變取決于電源阻抗，因為所有逆變器有著相同的工作點，但其電壓與電流有不一致的行為。總結來講就是在正弦電源電壓的情況下，光伏逆變器存在較低的低頻諧波畸變；供電電壓畸變時，也會產生較大的低頻諧波電流；相位角和電壓畸變之間沒有線性關系；開關操作會產生高頻諧波畸變。

設備元件呈多樣化創新發展

設備元件是配電系統的“細胞”，配電網絡的強壯運作需要元件的牢固支撐。2013年國際供電會議對配電網元件相關的電纜、變壓器、開關設備及控制、保護和監測系統和新型有源電力電子設備等元件進行了研究交流。福建電力公司副總工程師李天友在報告會上總結了各國在大會上提出的智能傳感器、變壓器等設備的創新性成果。

智能傳感器的成熟應用是實現配電網智能化的基礎。李天友表示，國際上一些新的特性電壓和電流傳感器，在測量精度上有很好的性能，比之前使用的元件尺寸小、成本低。同時依附在中壓電纜的終端附件上，這種電纜附件的安裝過程與目前的類似，不會影響中壓開關的結構。他舉例說，芬蘭在現有的電纜接頭處（翻新改造）或在套管里，使用嵌入式智能電壓和電流傳感器代替傳統的電流、電壓互感器，這種新的傳感器用了Rogowski線圈或分壓器，沒有使用任何鐵磁核心，因此傳感器的性能不受滯回曲線非線性等影響。意大利將高精度的傳感器集成在中壓電纜終端頭中，將一個可預校準、高精度的無源電流、電壓傳感器嵌入到室內終端，這種即插即用的電纜附件無需現場校準，適合絕大多數類型的電纜，可用于現有開關柜的改造而無需改裝開關柜的結構。

“可再生能源發電接入配電網”實現了能源的循環利用，緩解了電力緊張問題，但可再生能源發電接入配電網還需要解決系統因外來電源插入帶來的電壓調節的技術問題。李天友介紹說，2011年德國決定通過實現能源轉型來重新定義其能源供應，包括逐步淘汰核能，減少煤炭的使用，在2050年實現基于可再生能源的發電占到電力總體發電的80%，2020年的目標是占到35%。對于分布式電源大量接入中低壓電網的挑戰，德國用德國理念回答了2050年的挑戰，即提出了生產資源整合的作用及“智能市場”的理念，他們新開發出的iNES系統可以在出現電壓問題或過載時自動反應來解決能源接入問題。該系統目前已成功應用在法蘭克福農村和城市電網中。在相同問題的處理上，英國采用配電變壓器有載分接頭集成到真空滅弧室里調節電壓。日本應用新型的配電網靜止無功補償裝置，緩解在配電網中因分布式電源而造成的電壓波動。巴西開發了低壓電網的便攜式電壓調節器，其無論是單相、兩相、三相都能被方便地安裝在LV網絡的關鍵點上；在低壓電網中，標記了超出電壓水平限度的值；調節器電力控制允許輸出電壓當電壓過低時增加電壓，電壓過高時減小電壓，電壓在合適范圍時無反應；可通過GPRS監控的測量數據。