2～150kHz超級(jí)諧波的研究是一個(gè)快速發(fā)展的新領(lǐng)域，特別是用于可再生能源的電網(wǎng)逆變器和開關(guān)電源的影響。這類諧波大量引入現(xiàn)代低壓電網(wǎng)，引發(fā)了不少電能質(zhì)量新問題。目前國(guó)際上已有多個(gè)工作組在從事這方面研究。文章主要根據(jù)近期國(guó)外文獻(xiàn)資料，扼要介紹超級(jí)諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點(diǎn)以及目前研究動(dòng)態(tài)。
引言
關(guān)于較高頻率(指工頻40次或50次以上)諧波問題，最早見于文獻(xiàn)[1-2]，于2002年列為這兩個(gè)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的資料性附錄。文獻(xiàn)[1]將50次以上的諧波電壓和間諧波電壓一并納入“無用電壓”(unwanted voltage)范疇。文獻(xiàn)[2]則專門談了50次至9kHz諧波頻率的測(cè)量問題。應(yīng)注意，IEC將低頻和高頻的分界點(diǎn)定為9kHz，因此所謂“較高頻率諧波”指的是約2kHz(對(duì)應(yīng)歐洲通用的40次諧波)至9kHz的諧波，仍屬低頻傳導(dǎo)干擾范圍。由于在電網(wǎng)中紋波控制接收機(jī)響應(yīng)水平低至0.3%標(biāo)稱電壓，為了避免被干擾，文獻(xiàn)[1]的附錄B中建議50次以上，9kHz以下單次諧波限值為=0.2%;對(duì)于這個(gè)范圍內(nèi)任何200Hz帶寬的諧波，設(shè)其中心頻率為，則建議限值為：
式中：U 1為基波電壓有效值;U f為頻率為f 的電壓分量有效值;F 為頻帶的中心頻率(高于50次諧波的頻帶)。
文獻(xiàn)[1]附錄B中指出，已有超過上述水平引起干擾的一些實(shí)例，但目前對(duì)這些頻率成分在電網(wǎng)中的影響，知之甚少，還不足以確定公認(rèn)的兼容水平。
從2000年以來，對(duì)于“較高頻率”諧波，在國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)、歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC)、國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)、國(guó)際供電會(huì)議(CIRED)以及IEEE等國(guó)際組織中均開展研究，并根據(jù)干擾源(例如換流器、開關(guān)電源)和敏感設(shè)備(例如電力線載波通信)的頻譜覆蓋范圍，將頻率拓展為2kHz～150kHz，并定義為“超級(jí)諧波”(supraharmonics)。
對(duì)于超級(jí)諧波，我國(guó)尚未開展相關(guān)的研究，但某些影響已有察覺。本文主要根據(jù)近期國(guó)外文獻(xiàn)資料，簡(jiǎn)要介紹超級(jí)諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點(diǎn)以及目前研究的動(dòng)態(tài)，供相關(guān)專業(yè)人員參考，以期在國(guó)內(nèi)開展這方面的研究。
1、超級(jí)諧波的產(chǎn)生
當(dāng)今，電力電子技術(shù)仍在快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域。該技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一是晶閘管的開關(guān)速度大幅度提高，例如逆變器(DC/AC變換器)的開關(guān)頻率已從早期的幾十赫茲、幾千赫茲提高到幾十千赫茲甚至幾百千赫茲。隨著可再生能源的大力開發(fā)，特別是大量太陽能光伏逆變器(即PV逆變器)的投入，以及各種開關(guān)電源的應(yīng)用，使電網(wǎng)(主要在低壓電網(wǎng))中2kHz～150kHz范圍內(nèi)超級(jí)諧波迅速增加，其有害影響的案例也在不斷上升。
另外，公用電網(wǎng)一般還用于信號(hào)傳輸，文獻(xiàn)[3]中考慮了3種類型信號(hào)系統(tǒng)：
1)電力公司的脈動(dòng)控制系統(tǒng)，頻率范圍為100Hz～3kHz(一般低于500Hz)，正常情況下在5%N以內(nèi)，有諧振時(shí)可達(dá)9%N。
2)電力公司的電力載波，頻率范圍為3kHz～95kHz，允許信號(hào)水平為5%N，這些信號(hào)在電網(wǎng)中傳輸時(shí)會(huì)很快衰減(大于40dB)。
3)末端用戶(居民區(qū)或工業(yè)用戶)的信號(hào)系統(tǒng)，如歐洲(ITU區(qū)域1)頻率范圍為95kHz～148.5kHz，允許信號(hào)水平分別為0.6%N或5%N。在某些國(guó)家或地區(qū)，頻率上限到500kHz，允許信號(hào)水平為2mV～0.6mV。這些信號(hào)的頻率相當(dāng)部分在超級(jí)諧波范圍內(nèi)，因此電網(wǎng)中超級(jí)諧波源既有各種電子設(shè)備產(chǎn)生的，也有人為使用的通信設(shè)備產(chǎn)生。
2、超級(jí)諧波的特點(diǎn)
研究證明，2kHz～150kHz諧波的傳輸擴(kuò)散不同于普通諧波發(fā)射，這是一種新型電能質(zhì)量現(xiàn)象。特點(diǎn)之一是所謂的原生發(fā)射(primary emission)和次生發(fā)射(secondary emission)。原生發(fā)射是指騷擾源(裝置)單獨(dú)引起的發(fā)射;次生發(fā)射是指其他裝置發(fā)射時(shí)對(duì)其影響后騷擾源(裝置)的發(fā)射。這兩者有明顯的不同。影響原生發(fā)射的主要因素有：①裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);②連接點(diǎn)的阻抗;③諧振。在低壓網(wǎng)絡(luò)中，裝置的連接點(diǎn)阻抗由變壓器、電纜(稱之為“網(wǎng)絡(luò)的阻抗”)以及建筑物內(nèi)部線路，連同其他連接裝置阻抗構(gòu)成，后者可以稱為設(shè)施的阻抗，在2kHz～150kHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)阻抗以電感為主，較設(shè)施阻抗(往往以所連裝置的電容為主)相對(duì)要高。影響次生發(fā)射的主要因素有：①鄰近裝置的發(fā)射強(qiáng)度;②裝置連接點(diǎn)阻抗和網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)施阻抗的關(guān)系。
圖1是一臺(tái)電視機(jī)(TV)對(duì)一個(gè)PV逆變器的原生和次生發(fā)射的實(shí)測(cè)波形[4]。PV逆變器產(chǎn)生的主要諧波頻率16kHz，當(dāng)TV連接時(shí)，PV逆變器的次生發(fā)射在16kHz處頻譜明顯放大;另外出現(xiàn)55kHz譜線，后者在原生發(fā)射中不出現(xiàn)，說明是由TV產(chǎn)生的。測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，超級(jí)諧波頻率越高，則傳輸距離越近：由PV逆變器產(chǎn)生的16kHz分量水平在試驗(yàn)屋內(nèi)的連接點(diǎn)處保持相當(dāng)穩(wěn)定，在公共連接點(diǎn)(PCC)處略有降低，在PCC處測(cè)不到屋內(nèi)其他裝置產(chǎn)生的55kHz～150kHz電壓或電流成分，這說明這些頻率分量只在室內(nèi)電器之間傳遞，并不進(jìn)入電網(wǎng)。這是超級(jí)諧波的另一特點(diǎn)。
圖1 一臺(tái)TV對(duì)一個(gè)PV逆變器原生和次生發(fā)射的影響
因此，確切了解在設(shè)施(例如一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)家庭)中運(yùn)行的電子裝置(例如PV逆變器、TV、LED燈、便攜式電腦等等)端子上電流，必須區(qū)分原生和次生發(fā)射。一臺(tái)裝置的次生發(fā)射受鄰近設(shè)備的容量和性能影響極大，這在考慮電子裝置的電磁兼容水平時(shí)是需要詳細(xì)研究的。將一個(gè)設(shè)施作為整體，其測(cè)量結(jié)果，不能給出設(shè)施內(nèi)部發(fā)射水平的正確表示;反之，各裝置端子上發(fā)射測(cè)量不能代表整體設(shè)施對(duì)電網(wǎng)的發(fā)射。實(shí)驗(yàn)室中發(fā)射結(jié)果也不能很好反映實(shí)際使用情況，這給超級(jí)諧波影響研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定帶來很大的復(fù)雜性。
3、超級(jí)諧波的影響
文獻(xiàn)[5]指出：電網(wǎng)中2kHz～150kHz頻率范圍的發(fā)射水平持續(xù)上升，由此引發(fā)的干擾事件也不斷增加，例如設(shè)備誤動(dòng)，表計(jì)指示失真，電子鎮(zhèn)流器的噪聲加大等。研究指出，高頻(HF)電壓成分在電網(wǎng)中一般傳輸不很遠(yuǎn)，原因是安裝在HF發(fā)射源附近的其他電子設(shè)備常提供比網(wǎng)絡(luò)本身阻抗低得多的通路，這種低阻抗通路主要是由并聯(lián)電容器(它可能是EMC濾波器組成部分)或整流器的直流聯(lián)絡(luò)環(huán)節(jié)，其中關(guān)鍵是電介質(zhì)電容器，這種電容器通過HF電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加發(fā)熱，減少壽命，從而造成電子設(shè)備故障。
文獻(xiàn)[6]對(duì)窄帶電力線通信和末端用戶設(shè)備之間在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)做了5種不同類型的相互作用測(cè)試，認(rèn)為末端用戶設(shè)備造成低阻抗通路是發(fā)生通信故障的最普通的原因;由于末端用戶設(shè)備的并聯(lián)電容，也有可能使載波通信損壞接入電網(wǎng)的設(shè)備。
4、仿真模型
為了研究超級(jí)諧波在低壓配電網(wǎng)中的干擾影響，文獻(xiàn)[7]基于Matlab/Simulink軟件及其SimPowerSystems程序庫建立一個(gè)仿真模型，扼要介紹如下：
1)逆變器模型。見圖2，用最通用的PWM控制開關(guān)，用此方法使低頻諧波較少，但高頻諧波較大。在直流側(cè)只用一個(gè)直流(DC)電壓源(=360V)，因?yàn)樵摶芈穼?duì)交流側(cè)HF干擾的影響不大;f濾波器已選定(f=12.8mH)，主要使低于2kHz的諧波滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并可減少2kHz～150kHz諧波(尚無標(biāo)準(zhǔn))。
圖2 逆變器模型
2)LV配電網(wǎng)模型。該模型分為兩個(gè)部分，首先是LV饋線，為了簡(jiǎn)化，采用三相分段π線路模型，見圖3。和低頻(LF)模型相比主要有兩點(diǎn)不同：首先在高頻(HF)情況下電容不能忽略，這使分析計(jì)算復(fù)雜化;另外在HF下電阻因集膚效應(yīng)變大，而且不同頻率應(yīng)取不同電阻值，不過在綜合元件模型中(例如用SimPowerSystem程序庫中的模型)電阻值必須固定，本模型參數(shù)是從表1的正序和負(fù)序參數(shù)中推出的。除了LV饋線，MV/LV變壓器是網(wǎng)絡(luò)中主設(shè)備，變壓器的參數(shù)是由特別測(cè)試得到的，預(yù)先包含在中壓(MV)網(wǎng)的戴維寧(Thevenin)等值模型中，上述的MV電源用SimPowerSystem程序庫的三相電壓表示，其短路功率150MVA，/為4/7，這些均是典型值。
圖3 三相分段π線路
圖4 研究一臺(tái)逆變器和一個(gè)整流型負(fù)載相互影響的仿真線路圖
在上述模型基礎(chǔ)上，搭建各種仿真線路圖，例如圖4為研究一臺(tái)逆變器和一個(gè)整流型負(fù)載相互影響的仿真框圖。
5、研究動(dòng)態(tài)
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和迅速普及，近10年來，電網(wǎng)中“超級(jí)諧波”水平日益增加，相關(guān)的異常和事故不斷出現(xiàn)，迫切需要對(duì)其作深入研究，使其標(biāo)準(zhǔn)化。目前已有多個(gè)工種組開展了這個(gè)課題的工作。CIGRE/CIRED聯(lián)合工作組C4.24：“與未來電氣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的電能質(zhì)量和EMC問題”對(duì)頻帶為2kHz～150kHz超級(jí)諧波的研究是現(xiàn)行活動(dòng)的重要部分;超級(jí)諧波也是CIGREC4/C6.29工作組：“太陽電力電能質(zhì)量方面”研討的主題之一;CIGRE C4.31關(guān)于電力線通信9kHz～150kHz頻帶，作為潛在干擾問題在討論。在IEEE內(nèi)部，IEEE P1250(電力和能源學(xué)會(huì))已研討了超級(jí)諧波，并作為IEEE EMC學(xué)會(huì)TC7的重要領(lǐng)域。IEC TC 77A內(nèi)部幾個(gè)課題組和工作組均涉及這個(gè)頻率范圍。雖然TC 77A(低頻現(xiàn)象)和TC 77B(高頻現(xiàn)象)之間分界定在9kHz，這個(gè)界限現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)被視為歷史了。
在歐洲，標(biāo)準(zhǔn)化組織CENELEC中，尤其是負(fù)責(zé)歐洲電壓特性標(biāo)準(zhǔn)EN 50160的工作組，對(duì)于2～150kHz頻帶超級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)化的需求，也在應(yīng)用導(dǎo)則中提及，超級(jí)諧波問題也包含在新近制定的IEC TS 62749中。由超級(jí)諧波的發(fā)射觀察到的干擾信息由CENELEC TC 210匯總，其中與電力線通信的潛在干擾成為主要因素。該頻率范圍發(fā)射的定量是最新起草的IEC 61000-4-30(即電能質(zhì)量測(cè)量方法)標(biāo)準(zhǔn)中的一部分。關(guān)于電力線通信的歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 50065)和其對(duì)應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)(IEC61000-3-8)中明確頻率范圍為9～148.5kHz。
6、結(jié)語
2～150kHz的超級(jí)諧波的研究是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，特別是用于可再生能源的電網(wǎng)逆變器和開關(guān)電源的影響，這類諧波大量引入現(xiàn)代低壓電網(wǎng)。引發(fā)了不少電能質(zhì)量新問題，迫切需要深入探討。目前國(guó)際上已有多個(gè)工作組在從事這方面研究，國(guó)內(nèi)也應(yīng)積極開展此項(xiàng)研究工作。本文主要根據(jù)近期國(guó)外文獻(xiàn)資料，簡(jiǎn)要介紹超級(jí)諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點(diǎn)以及目前研究的概況，供相關(guān)專業(yè)人員參考。
會(huì)員中心
