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住宅小区的谐波治理和无功补偿摘要：本文分析了西安住宅小区配电网的谐波治理和无功补偿方案的可行性，介绍了谐波治理和无功补偿的基本原理，并且针对小区电能质量的现状，建立网损最小的目标函数，兼顾电压质量和设备费用，有效降低了系统的有功网损，同时电压质量也得到了提高。该方法对于现在大规模配电网的谐波治理也有一定的参考意义。关键词：住宅小区；有功网损；谐波治理；无功补偿HarmonicSuppressionandReactivePowerCompensationofResidentialQuartersAbstract：Thispaperanalysesthefeasibilityofharmonicsuppressionandreactivepowercompensationscheme,introducesthebasicprinciples.Alsothispaperestablishsthefunctionwiththeminimumnetworkloss,takingintoaccountthevoltagestabilityandequipmentcostatthesametime.Theschemeeffectivelyreducedactivenetworklossofthesystemandhascertainreferencesignificancefortheharmonicsuppressionoflarge-scaleddistributionnetwork.Keywords:Residentialarea;Activepowerloss;Harmonicsuppression;Reactivepowercompensation0引言在现代电力系统的运行控制中，一个理想的电力系统和供电系统，应是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户提供电能。但近年来，电力电子装置被越来越广泛地使用，虽然有利于节能和控制，但是导致非线性电力负荷迅速增加，产生高次谐波，使电网波形发生畸变，电压出现闪变，并且可能导致用于无功补偿的电容装置被损坏，更加增加了发生重大事故的概率，必须先治理谐波，再进行无功补偿。国内外的电力工程师对谐波问题已经进行了广泛的研究，从谐波产生的时间、地点、原因、影响等各个方面做了大量的分析，比如运用最小二乘法和小波分析法来分析谐波[1]，无源滤波器[2]和有源滤波器[3,4]的应用使谐波问题得到了很好的解决。无功补偿装置在早期主要是同步调相机和静电电容器，后来出现静止补偿器，近年来出现了采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，通常称为静止同步补偿器[5](StaticSynchronousCompensator-STATCOM)，是动态无功补偿的发展方向。本文先运用有源滤波装置进行谐波治理，再运用动态无功补偿装置进行无功补偿。1国家标准和工程计算为了表示非正弦量（畸变波形）偏离正弦波形的程度，一般来讲，电网的谐波含量是用电压的总谐波畸变率和电压的谐波含有率来反映的。电压的总谐波畸变率定义为：221100%hhUTHDU（1）h次谐波电压含有率定义为：HRUh=UhU1´100%（2）式中，为h次谐波电压有效值；为基波电压有效值。1.1谐波含量的分析计算谐波电压和谐波电流的工程计算1.谐波电压和谐波电流的关系第n次谐波电压含有率HRUn与第n次谐波电流分量In的关系如下HRUn=3ZnIn10UN(%)（3）上式中：UN——电网的标称电压（kV）；In——第n次谐波电流（A）；Zn——系统的第n次谐波阻抗（W）。如果波阻抗Zn未知，HRUn和In的关系可以按照下式中进行近似的工程估算。HRUn=3nUNIn10SK(%)（4）上式中：SK——公共连接点的三相短路容量（MVA）。2.谐波电流的叠加两个谐波源的同次谐波电流在一条线路上的同一相上叠加，当相位角已知的时候，总谐波电流In（A）可以按照下式计算：In=In12+I2n2+2In1In2cosqn（5）上式中：In1——谐波源1的第n次谐波电流（A）；In2——谐波源2的第n次谐波电流（A）；qn——谐波源1和2的第n次谐波电流之间的相位角。当两个谐波源的同次谐波电流之间的相位角不确定时，可按下式计算：In=In12+I2n2+KnIn1In2（6）THDmHRUhUhU1上式中Kn的系数按照下表选取。表1公式（6）中的Kn的取值n35711139，13，偶次Kn1.621.280.720.180.080两个以上的同次谐波电流叠加的时候，首先将两个谐波电流叠加，然后再和第三个谐波电流叠加，多个谐波电流叠加的时候，以此类推。同一公共连接点有多个用户时，每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。第i个用户的第n次谐波电流允许值Ini（A）按下式计算：Ini=In(Si/St)1/a（7）上式中：In——第n次谐波电流的允许值（A）；Si——第i个用户的用电协议容量（MVA）；St——公共连接点的供电设备容量（MVA）；a——相位叠加系数，按照下表取值；表2公式（7）相位叠加系数取值n35711139，13，偶次a1.11.21.41.81.921.2谐波含量的标准谐波标准是指注入电网的谐波电压（或电流）允许限值。谐波源注入电网的谐波电压（或电流）应控制在谐波标准允许限值以内，表3给出了我国的国家谐波标准。表3我国用户注入电网的谐波允许值有效值/安培标准电压KV基本短路容量（MVA）谐波次数以及谐波电流允许(A)23456789100.3810786239622644192116610043342134142411118.510100262013208.5156.46.85.13525015127.7125.18.83.84.13.16650016138.1135.49.34.14.33.3110750129.66.09.64.06.83.03.22.4标准电压KV基本短路容量（MVA）谐波次数以及谐波电流允许(A)1112131415161718190.381028132411129.7188.6166100167.1136.16.85.3104.79.0101009.34.37.93.74.13.26.02.85.4352505.62.64.72.22.51.93.61.73.2665005.92.75.02.62.62.03.81.83.41107504.32.03.71.91.91.52.81.32.5当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量的时候，可以按照式（8）修正表中的谐波电流允许值。In=Sk1Sk2Ihp（8）上式中：Sk1——公共短接点的最小短路容量（MVA）；Sk2——基准短路容量（MVA）；Ihp——第n次谐波电流允许值（A）；In——短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值（A）。1.3动态消谐装置的安装图1装置的主回路图（机架式单个模块为例）上图中，A、B、C及A1、B1、C1表示主回路，设备内部为铜排，与系统接线可采用电缆连接或铜排连接；PE为零线接线。QF1为主回路断路器，安装在机柜中，方便设备断电检修。CT1-CT3为设备内部采样CT，用于监测设备本身发出的谐波补偿电流。FU1-FU3为设备内部电压采样回路的熔断器，SPD为设备内部避雷器。PM1为功率单元模块，内部有IGBT和储能电容等元器件构成的3H桥整流逆变电路，完成功率变换功能。该装置基于瞬时无功功率理论的检测技术和IGBT功率变换装置，实时检测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，自动跟踪电网谐波变化，具有高度可控性与快速响应性，超强运算能力，可以滤除2到60次的谐波。抗干扰能力强，利用自适应控制算法，能适应系统阻抗变化，并且装置不会与系统发生谐振，克服了传统的滞环电流控制由于开关频率变化带来的输出频谱范围宽、滤波比较困难、高频谐波干扰电网的缺点。并且独特的3H桥电路结构使得输出电流的波形平滑，装置自身损耗低，整机效率大于97%。1.4无功补偿装置的选用和介绍低压无功动态补偿装置被运用到了西安住宅小区配电网的无功补偿中。该装置采用三相平衡补偿，采用交流取样，可以同时具有以下功能：数据采集，通讯，无功补偿，电网参数分析等。本装置具有自动跟踪，自动补偿，自动保护，无涌流，无谐波，液晶数字显示，操作设置便捷等优点。装置安装调试好之后立即可以进入自动运行状态，并能在外部电网出现故障或者停电时自动退出电网，电网恢复正常或者来电之后自动恢复运行。整机性能稳定，工作寿命长，维修量少。2优化案例2.1电网谐波治理和无功补偿的目标函数本文中主要考虑的是使得小区电力系统有功功率损失达到最低，并且兼顾电压质量，使得小区的电网可以达到安全经济运行的目的，因为小区电网中的谐波主要是电流谐波，电压的畸变率相对很小，建立如（9）式所示的目标函数：1123min[()/]ccFPTHDIFN(9)上式中：w1——有功网损的系数；w2——电流谐波畸变率的罚因子；w3——谐波治理和无功补偿装置年费用系数；THDI——电流谐波总畸变率；Fc——谐波治理和无功补偿装置投资费用（元）；Nc——装置的使用年限（年）；2.2小区电能质量现状分析国家电网公司《电力系统电压质量和无功电力管理规定》380V电力客户电压允许偏差值为额定电压的-7%—+7%(353—407V)；220V电力客户的电压允许偏差值为系统额定电压的-10%—+7%(198—236V)；100kVA及以上容量的公用配电变压器低压侧功率因数应不低于0.90；国家规定低压线路线损率为3%。小区现状测试数据中电压合格率和功率因数都低于国家标准，成为影响电能质量的主要原因。于21：00晚上居民用电高峰时段对电网谐波进行了测试，测试数据显示电网中含有较大电流谐波，主要为3次、5次、7次和9次谐波，电流总畸变率平均值达25%，最高值为30%。谐波大量存在，是导致电能质量低的主要因素。功率因数也远远低于规程中的最低0.9的要求，无功补偿不足也是影响电能质量的一个主要原因。我们谐波治理和无功优化的第一步先安装有源电力滤波器，消除谐波，将三相电压不平衡度控制在4%以下；第二步是在住宅小区变压器低压侧加装无功自动补偿装置，将功率因数提高到0.95以上。2.3谐波治理和无功补偿前后谐波含量分析在动态消谐综合补偿装置投运后，进行测试，数据显示电网中含有的电流谐波畸变率明显下降，主要次谐波3次、5次、7次和9次谐波畸变率分别为8.3%、3.5%、1.1%、1.4%，电流总畸变率降为小于10%。表4安装有源滤波器前后谐波比较谐波次数安装APF前安装APF后318.5%8.3%512.7%3.5%76.3%1.1%96.1%1.4%电流总畸变率25%10%表5谐波治理和无功补偿之后住宅小区电能质量数据序号电压合格率功率因数线损率国标96%0.93%7月96.3%0.952%8月96.4%0.963%9月97%0.942.5%10月97.5%0.962.8%安装后平均96.8%0.962.58%安装前平均89%0.8610.5%2.3.1功率因数分析未补偿前，电压和电流的波形有明显的相位差，功率因数不到0.8。在补偿之后，电压和电流波形的相位差接近于0，而且电流的幅值减小了，有助于减少线路的损耗。采用动态消谐补偿装置后，经测量可得的功率因数最低0.95，最高1，并且大部分时间运行在0.97，仅在切换瞬间功率因数有轻微降低。运行显示，无功功率补偿取得了显著效果，谐波得到了明显抑制。2.3.2电压电流波形分析对变压器低压侧电压和电流的波形进行测量和分析，对比上面的数据，有源滤波装置和无功补偿装置安装前，电流波形畸变严重，但是补偿之后接近正弦波。各相电压和电流的畸变率和谐波含量都明显下降，达到很好的治理效果。2.3.3经济效益分析从节能的角度分析，保守假设按照小区变电所电流平均畸变率20%，补偿前功率因数为0.80，补偿之后可以达到的功率因数是0.97，总负载1000kVA，平均