发供电企业单位将电能传输至用电设备的同时，也会受到来自用户的影响。随着电气化铁路、风电场、分散式光伏电站及高耗能企业（这些用户常根据自身需求改变电流的幅值和波形，使正常电流或者电压产生畸变^[1]）的迅速增加，其对电网电能质量的影响也越来越大，造成电网企业供电成本提高、可靠性下降。面对新的发展形势，在保证地区电网安全可靠供电的前提下如何提高供电质量，已成为当前各供电企业单位需要重点研究的课题。

作为华北电网的重要组成部分，目前内蒙古电网各盟、市供电区域均已形成了以220 kV为主的供电网架结构。乌兰察布地区电网即是以220 kV线路为主干，110 kV线路以辐射状向地区负荷供电的网架结构。该地区电网拥有5座500 kV变电站，变电容量8400 MVA；220 kV 变电站17 座，变电容量8346 MVA；220 kV 输电线路90 条，总长度为2834.395 km。

乌兰察布地区地理位置和气候条件独特，当地政府大力支持风能及光伏发电等新能源基地建设，电气化铁路及高耗能企业也发展迅速。截至目前，乌兰察布地区共建有电气化铁路牵引站3座，风力发电场39座，光伏发电站9座，高耗能用户101个。这些电源及分布于不同地区的特殊用户分别接入了不同变电站，对乌兰察布地区电网的电能质量造成明显影响。

目前我国电气化铁路已占所有铁路线路的60%，并网运行的牵引站给电力系统带来间歇性的谐波和负序分量，尤其是电气化铁路沿着轨道用电，负荷具有移动性强、幅度变化大等特点，会给电网稳定性带来很大威胁^{[2, 3]}。

电力机车的牵引负荷为单相，当其接入三相电力系统中时，会在系统中产生负序电流。正常运行的主变压器三相电流对称，但由于负序电流的影响，会使其中一相电流增大、总出力降低；另外，负序电流会在变压器内部产生额外的热量，增加主变压器能量损耗^[4]。负序电流流经输电线路时，不仅不能做功，反而会造成能量损失，影响电能输送功率。对于继电保护系统来说，负序电流或负序电压的存在，极易引起保护装置的误动作，造成电网稳定性下降。电气化铁路牵引负荷由整流型电力机车产生，含有丰富的谐波，属于典型的谐波电流源，其中以未串联电抗器的电容器放大的5次谐波电流，或串联5%~6%电抗器的电容器放大的3次谐波最为常见^[2]。

图 1、图 2分别为樊家牵引站接入乌兰察布电网220 kV丰地变有功功率曲线及站内母线电压的变化曲线。如图 1所示，2015-02-05电力机车运行频繁，全天有功负荷呈无规律变化状态，对调度部门的负荷预测造成很大干扰。如图 2所示，当有电力机车经过时，线路电压骤降（电流升高），加上整流电路换相等原因，电流由原来的正弦波变成基波和谐波的叠加（基波电流带有功功率），谐波的侵入使功率因数大幅降低。

图 1

图 1 丰地变有功功率曲线

图 2

图 2 丰地变母线电压变化曲线

图 3为220 kV丰地变111丰樊线谐波电流报表截图。根据《GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波》^[5]的相关要求及实际短路容量，按公式（1）对第n次谐波电流允许值进行校正。

图 3

图 3 220 kV丰地变111丰樊线谐波电流报表截图

式中S₁—公共连接点的最小短路容量，MVA；

S₂—基准短路容量，MVA；

I—第n次谐波电流允许值，A；

I_n—短路容量为S₁时的第n 次谐波电流允许值。

经测试发现，当有电力机车经过时谐波电流会大幅上升（红色标记数字为超标值），主要集中在3、5、7次谐波中，其中，最严重的3次谐波超出标准约20倍。

由于风能的波动性，造成风电场的输出功率具有很强的随机性，导致电网调度很难对其功率进行预测，需要为风电留出足够容量以满足其功率波动需求。当风场平均风速增大，输入系统的有功功率增加时，风电场母线电压会先降低、后升高。这是因为当风电场输入功率增大时，输入有功功率引起的电压升幅较大，而吸收无功功率引起的电压降较小；而当风电场输入功率减小时，吸收无功功率引起的电压降会变大^[6]。

风电场并网会在一定程度上对电能质量（主要包括电压、频率、谐波及电压暂降等）造成影响，而且随着风电容量的不断增加，其影响程度也会逐渐增大。另外，风电并网也会对网损、继电保护灵敏度及保护范围等造成一定影响，甚至给电网安全运行带来隐患。

季节、气候，日期不同，风电场发出的有功功率也不尽相同。当地风速会随季节发生明显变化，春季风速较稳定，风电场有功变化不大，可持续输出；春、夏之交，风速稳定性降低，有功功率输出变化明显、曲线波动较大；夏季，风速较小且变化较其他季节平缓，所以有功功率输出较小，这种工况下，不稳定风功率的注入，极易造成电网电压的波动，进而引起电网出现可察觉的闪变现象。此外，风机设备中大量的电力电子装置在运行过程中也会向电网注入大量谐波，严重影响电网的电能质量。图 4为2015-04-04乌兰察布电业局220 kV兴广变电站接带长顺风电场的有功功率曲线。

图 4

图 4 兴广变电站接带长顺风电场的有功功率曲线

经谐波电流测试（图 5为测试结果截图），220kV兴广变电站251长兴线谐波电压含有率均保持在规定值范围内；谐波电流幅值主要以奇次谐波为主，其中，3、5、7次谐波电流幅值较大，最大值几乎为标准限值的6倍^[3]，对公用电网的影响较大。

图 5

图 5 220 kV兴广变电站251长兴线谐波电流测试结果截图

光伏电站对电网的影响主要有以下几个方面：

（1） 分布式光伏电源的加入会使电力系统的负荷预测具有更大的不确定性。

（2） 发电功率极易受到天气的影响，尤其在阴天时会发生剧烈变化。与传统发电厂相比，其输出功率经常波动，输出功率具有明显的随机性，对电网运行安全性和经济性均会造成影响。如果光伏电源的位置和规模不合适，还可能导致电能损耗的增加，引起网络中某些节点电压的不稳定，并且会改变故障电流的大小、持续时间及方向^[7]。

（3） 分布式光伏电源接入配电网后，必然会影响到原配电网的保护和重合闸参数设置，可能会导致灵敏度降低、保护误动、失去选择性和重合闸失败等^{[8, 9]}。根据内蒙古电力（集团）有限责任公司的相关规定，凡接入供用电网的光伏电站，需在厂端装设能够抑制逆变器产生谐波的设备。经查阅乌兰察布地区各分布式光伏电源投产时的实测谐波数据，目前为止，尚未发现超标情况。

据统计，高耗能用户负荷占乌兰察布地区负荷的70%以上，而且多以电石、硅铁等负荷为主^[11]。受电气设备管理、维护水平低，以及电炉烧结操作失误率高等不良因素影响，这些用户经常发生炉变单相短路、电缆终端爆炸等恶性电气事故，对网侧电气设备造成很大的冲击，威胁到电网的安全稳定运行。2004—2015年，由于线路及用户侧故障引起的变电站35 kV系统过电压导致的电缆头爆炸、电流互感器过电压击穿等事故共计21起，严重威胁电网设备及运行人员人身安全。此外，电弧炉内的电弧在燃烧时会产生谐波电流，由于电弧导电率和长度随时间变化，导致谐波幅值也随机变化，严重影响主网的电能质量。

高耗能用户的有功负荷很不稳定，停炉或出炉时负荷急剧下降，造成系统电压瞬间增大，如果站内电气设备绝缘薄弱，很容易因击穿放电而导致设备损坏，甚至伤人事故^[10]。

图 6是新城湾某高耗能企业接入公用电网时产生的电压闪变（短时间闪变Pst，长时间闪变Plt）和电压U、电流I 畸变率测试报表截图。可以看出，由于厂内炉变的不稳定性，导致Pst超出限值的情况时有发生，同时，测得的电压畸变率最大值也超出了国标限值^[10]。

图 6

图 6 某高耗能企业电压闪变、电压和 电流畸变率测试数据截图

图 7为220 kV新城湾变电站35 kV丰宇Ⅱ线出线测试电流谐波情况，其中奇次谐波超标情况较严重，且5次谐波最为突出，最大值超标近8倍。另外，兴广、旗台、润字及黄旗海等变电站35 kV出线谐波电流也存在类似超标情况。

图 7

图 7 新城湾变电站357丰宇Ⅱ线出线谐波电流 测试报表截图

为保证这些负荷能够更好地接入电网，提高乌兰察布地区电网电能质量，针对上述问题提出以下治理措施。

降低电压波动对主网造成的影响，主要从2个方面着手。

通过改造供电方式提高供电能力，缓解电压波动及闪变。在变电站设计及规划阶段，提前考虑负荷性质，采取相应手段控制新、扩建站的电能质量。

（1） 综合考虑成本、效益，为大容量波动性负载架设专用供电线路。采用双电源，满足N-1需求。

（2） 采用母线分段形式或增设配电站的办法，将类似于高耗能等不良负荷与一般负荷进行区分，分别接带于不同的母线上或配电站内。

（3） 对于不良负荷，在站内主变压器35 kV侧中性点加装小电阻装置，当负荷侧产生零序电流时，立即跳开出线侧开关，避免主变压器遭受近区短路冲击。

（4） 根据公式（2）判断波动负载容量是否与系统容量匹配，当关系式不成立时，需要考虑提高供电能力，满足负荷的要求。

式中I_max—波动性负荷的最大工作电流，kA；

I_N—负载的额定电流，kA；

S_t—站内变压器容量，MVA；

S_N—波动性负荷的额定容量，MVA。

SVG（静态无功发生装置）具有控制特性好、响应速度快、体积小、损耗低等优点，其逆变器经中间变压器与电网连接，通过调节中间变压器的电压大小与方向，能够实现无功功率的补偿和吸收。

抑制谐波的办法主要有2种：1种是从产生谐波的源头入手，即对负荷侧的电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波；电网运行管理单位加强对入网用户（光伏电站、风电场、高耗能企业）设备选型的监督，选用优质高效产品，控制谐波源头。另1种是装设谐波补偿装置（如改进型有源电力滤波器，通过控制滤波装置的输出电流，能够产生1个与负载谐波电流大小相等而方向相反的补偿电流），起到抑制谐波的效果。

除了加强技术防范措施外，还应加强考核管理工作。对于不良负荷引起的谐波污染，要根据入网协议对污染源头进行考核。电网企业应加强监督管理，定期开展谐波检测工作，通知并协助用户进行整改。

建立健全内蒙古电网相关用户入网标准、规范及细则等，加强入网管理，统筹规划，使电网电能质量得到有效保障。内蒙古电力（集团）有限责任公司于2015-01-27发布并开始实施《风电场接入电网技术规定》及《光伏电站接入电网技术规定》，有效规范了风电、光伏等，新能源的接入原则和技术标准，明确了电能质量指标（包括电压偏差、波动和闪变，谐波抑制、电压不平衡度、频率偏差及监测治理等）。

乌兰察布电业局针对高耗能用户制定了一系列措施，控制此类用户的谐波污染及过电压危害。《乌兰察布电业局大用户生产运行管理办法》（试行）在明确电网侧管理职责的同时，对用户侧也提出了相关要求。文件要求运行单位定期对用户出线间隔进行巡视及检查维护，大用户管理单位做好用户故障分析和监督工作，检修单位每年对用户谐波进行1次普测。用户端要严格按照文件、技术标准要求，配置厂区各类设备。

随着乌兰察布地区电网的不断发展，越来越多的新能源、高耗能用户将陆续接入，对电网运行可靠性和经济性的影响会越来越明显。为了能够有效治理谐波污染，需要涉网用户及电网规划、运行、监督管理等部门之间积极配合、通力合作，在建立和谐的供、用电关系基础上，实现提高电网电能质量的目标。