电网中的"狗日子"：谐波扰动的季节性规律

每年七月底到八月底的"狗日子"传统上与酷热和闷重的空气联系在一起。这个名字来源于天狼星（Sirius），在古希腊时期它与太阳一同升起。虽然"狗日子"描述的是炎热的天气，电力系统也会经历属于自己的"狗日子"。

对于电力公司来说，这一时期不仅仅意味着因制冷带来的用电高峰，还伴随着更高水平的谐波扰动。谐波是电压或电流中频率为基波（50或60 Hz）整数倍的分量。谐波会使正弦波形失真，降低效率，并缩短设备寿命。

本文将探讨谐波如何随季节变化，为什么夏季尤其具有挑战性，以及电力公司可以采取哪些措施来减缓影响。

谐波基础

谐波主要来源于非线性负载。这类设备消耗的电流不是平滑的正弦波，而是脉冲式的。常见的谐波源包括变频器（VFD）、逆变器、LED照明和空调设备。

谐波影响通常用**总谐波失真率（THD）**衡量，其定义为：

THD = \sqrt{\frac{\sum_{h=2}^{n} V_h^2}{V_1^2}} \times 100%

其中 V_h​​ 为第 h 次谐波的有效值，V_1​​ 为基波有效值。

相关标准对谐波限值有明确规定：

• IEEE 519 建议公共连接点（PCC）处电压THD不超过5%。
• IEC 61000‑2‑2 规定公用低压网络THD上限为8%。
• IEC 61000‑2‑4 对工业环境规定THD为5%至10%，具体取决于类别。

季节性规律

夏季

在"狗日子"期间，谐波水平上升，主要原因包括：

• 空调设备：基于逆变器的压缩机会产生奇数次谐波，尤其是3次和5次。
• 变频器：广泛应用于暖通空调和工业领域，带来5次、7次及更高次谐波。
• 光伏逆变器：夏季发电高峰时，特别是在弱电网中，会注入开关谐波。
• 高温：变压器运行接近饱和，电缆阻抗升高，均会放大谐波效应。

以德州ERCOT为例，数据显示，局部THD在凉爽月份为2-3%，而在热浪期间可升至6-8%，主要由同步空调负载和逆变器行为驱动。具体数值因馈线和电网强度而异，仅供参考。

冬季

冬季谐波情况有所不同：

• 电加热：电阻加热器本身为线性负载，但会提升基荷，降低阻尼，使电网对其他谐波源更敏感。
• 照明：LED照明，尤其是老旧驱动器，会产生3次和5次谐波。新型驱动器多符合
  IEC 61000‑3‑3，但大规模使用仍可能导致失真。
• 工业负载：电弧炉和焊接设备带来低次谐波和间谐波（非整数倍）。
• 风电：基于逆变器的风力发电机在弱电网中可能引入次同步分量。

北欧电力公司报告称，冬季夜间局部THD可达6-7%，与采暖和工业负荷相关。这些是局部峰值，并非全网平均水平。

对电力公司的影响

谐波会缩短变压器寿命，增加电缆损耗，并导致保护系统误动作。电机会出现转矩脉动，敏感电子设备可能故障。

经济影响包括：

• 维护和更换成本上升；
• 变压器和电缆降额运行；
• 客户因闪变和电能质量问题投诉；
• 可能因法规受到处罚。

缓解策略

监测
在变电站和馈线部署具备谐波记录功能的电能质量表。季节性巡检有助于发现热点。现代AMI系统和CLOU谐波电能表可帮助电力公司追踪谐波源直至馈线或用户层级。

滤波

• 针对5次或7次谐波的无源滤波器；
• 针对数据中心、电动汽车充电等动态负载的有源滤波器；
• 混合滤波方案。

电网运行

• 空调启动错峰，避免谐振；
• 严格执行逆变器谐波标准；
• 在高比例新能源区域采用组网型逆变器。

客户管理

• 对电能质量差的用户实施惩罚性电价；
• 鼓励使用低谐波设备。

总结

夏季"狗日子"不仅带来酷热，还给电网带来谐波压力。季节性规律值得关注：夏季谐波因制冷和光伏逆变器上升，冬季则主要源于采暖和工业。

对于电力公司而言，措施明确：监测、滤波、规划。将谐波视为季节性风险，有助于保护资产、提升效率、维护客户信任。

CLOU的先进AMI系统和具备谐波记录功能的电能表为电力公司提供了精确定位谐波失真的工具。持续监测至馈线或用户层级，便于区分局部扰动与系统性问题。凭借这些洞察，电力公司可更快响应，更精准地实施缓解措施，减少设备不必要的压力。

简而言之：谐波不必成为隐形的季节性负担。通过合适的测量与分析工具，谐波可以成为可控的电网运行参数——迈向更坚韧、更智能的电力网络。