2～150kHz超級諧波的研究是一個快速發(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。目前國際上已有多個工作組在從事這方面研究。文章主要根據(jù)近期國外文獻資料，扼要介紹超級諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點以及目前研究動態(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[1-2]，于2002年列為這兩個IEC國際標準的資料性附錄。文獻[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[2]則專門談了50次至9kHz諧波頻率的測量問題。應注意，IEC將低頻和高頻的分界點定為9kHz，因此所謂“較高頻率諧波”指的是約2kHz(對應歐洲通用的40次諧波)至9kHz的諧波，仍屬低頻傳導干擾范圍。由于在電網(wǎng)中紋波控制接收機響應水平低至0.3%標稱電壓，為了避免被干擾，文獻[1]的附錄B中建議50次以上，9kHz以下單次諧波限值為=0.2%;對于這個范圍內(nèi)任何200Hz帶寬的諧波，設其中心頻率為，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[1]附錄B中指出，已有超過上述水平引起干擾的一些實例，但目前對這些頻率成分在電網(wǎng)中的影響，知之甚少，還不足以確定公認的兼容水平。
從2000年以來，對于“較高頻率”諧波，在國際電工委員會(IEC)、歐洲電工技術(shù)標準化委員會(CENELEC)、國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)、國際供電會議(CIRED)以及IEEE等國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“超級諧波”(supraharmonics)。
對于超級諧波，我國尚未開展相關(guān)的研究，但某些影響已有察覺。本文主要根據(jù)近期國外文獻資料，簡要介紹超級諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點以及目前研究的動態(tài)，供相關(guān)專業(yè)人員參考，以期在國內(nèi)開展這方面的研究。
1、超級諧波的產(chǎn)生
當今，電力電子技術(shù)仍在快速發(fā)展，其應用范圍幾乎滲透到各個領(lǐng)域。該技術(shù)發(fā)展的重要標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)電源的應用，使電網(wǎng)(主要在低壓電網(wǎng))中2kHz～150kHz范圍內(nèi)超級諧波迅速增加，其有害影響的案例也在不斷上升。
另外，公用電網(wǎng)一般還用于信號傳輸，文獻[3]中考慮了3種類型信號系統(tǒng)：
1)電力公司的脈動控制系統(tǒng)，頻率范圍為100Hz～3kHz(一般低于500Hz)，正常情況下在5%N以內(nèi)，有諧振時可達9%N。
2)電力公司的電力載波，頻率范圍為3kHz～95kHz，允許信號水平為5%N，這些信號在電網(wǎng)中傳輸時會很快衰減(大于40dB)。
3)末端用戶(居民區(qū)或工業(yè)用戶)的信號系統(tǒng)，如歐洲(ITU區(qū)域1)頻率范圍為95kHz～148.5kHz，允許信號水平分別為0.6%N或5%N。在某些國家或地區(qū)，頻率上限到500kHz，允許信號水平為2mV～0.6mV。這些信號的頻率相當部分在超級諧波范圍內(nèi)，因此電網(wǎng)中超級諧波源既有各種電子設備產(chǎn)生的，也有人為使用的通信設備產(chǎn)生。
2、超級諧波的特點
研究證明，2kHz～150kHz諧波的傳輸擴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)單獨引起的發(fā)射;次生發(fā)射是指其他裝置發(fā)射時對其影響后騷擾源(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裝置的拓撲結(jié)構(gòu);②連接點的阻抗;③諧振。在低壓網(wǎng)絡中，裝置的連接點阻抗由變壓器、電纜(稱之為“網(wǎng)絡的阻抗”)以及建筑物內(nèi)部線路，連同其他連接裝置阻抗構(gòu)成，后者可以稱為設施的阻抗，在2kHz～150kHz頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡阻抗以電感為主，較設施阻抗(往往以所連裝置的電容為主)相對要高。影響次生發(fā)射的主要因素有：①鄰近裝置的發(fā)射強度;②裝置連接點阻抗和網(wǎng)絡以及設施阻抗的關(guān)系。
圖1是一臺電視機(TV)對一個PV逆變器的原生和次生發(fā)射的實測波形[4]。PV逆變器產(chǎn)生的主要諧波頻率16kHz，當TV連接時，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。測試還發(fā)現(xiàn)，超級諧波頻率越高，則傳輸距離越近：由PV逆變器產(chǎn)生的16kHz分量水平在試驗屋內(nèi)的連接點處保持相當穩(wěn)定，在公共連接點(PCC)處略有降低，在PCC處測不到屋內(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，并不進入電網(wǎng)。這是超級諧波的另一特點。
圖1 一臺TV對一個PV逆變器原生和次生發(fā)射的影響
因此，確切了解在設施(例如一個實驗室，一個家庭)中運行的電子裝置(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。一臺裝置的次生發(fā)射受鄰近設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是需要詳細研究的。將一個設施作為整體，其測量結(jié)果，不能給出設施內(nèi)部發(fā)射水平的正確表示;反之，各裝置端子上發(fā)射測量不能代表整體設施對電網(wǎng)的發(fā)射。實驗室中發(fā)射結(jié)果也不能很好反映實際使用情況，這給超級諧波影響研究和標準的制定帶來很大的復雜性。
3、超級諧波的影響
文獻[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，例如設備誤動，表計指示失真，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，原因是安裝在HF發(fā)射源附近的其他電子設備常提供比網(wǎng)絡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電流時會產(chǎn)生附加發(fā)熱，減少壽命，從而造成電子設備故障。
文獻[6]對窄帶電力線通信和末端用戶設備之間在實驗室和現(xiàn)場做了5種不同類型的相互作用測試，認為末端用戶設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)的設備。
4、仿真模型
為了研究超級諧波在低壓配電網(wǎng)中的干擾影響，文獻[7]基于Matlab/Simulink軟件及其SimPowerSystems程序庫建立一個仿真模型，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)只用一個直流(DC)電壓源(=360V)，因為該回路對交流側(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的諧波滿足標準要求，并可減少2kHz～150kHz諧波(尚無標準)。
圖2 逆變器模型
2)LV配電網(wǎng)模型。該模型分為兩個部分，首先是LV饋線，為了簡化，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不同：首先在高頻(HF)情況下電容不能忽略，這使分析計算復雜化;另外在HF下電阻因集膚效應變大，而且不同頻率應取不同電阻值，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的正序和負序參數(shù)中推出的。除了LV饋線，MV/LV變壓器是網(wǎng)絡中主設備，變壓器的參數(shù)是由特別測試得到的，預先包含在中壓(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 研究一臺逆變器和一個整流型負載相互影響的仿真線路圖
在上述模型基礎上，搭建各種仿真線路圖，例如圖4為研究一臺逆變器和一個整流型負載相互影響的仿真框圖。
5、研究動態(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)，迫切需要對其作深入研究，使其標準化。目前已有多個工種組開展了這個課題的工作。CIGRE/CIRED聯(lián)合工作組C4.24：“與未來電氣網(wǎng)絡相關(guān)的電能質(zhì)量和EMC問題”對頻帶為2kHz～150kHz超級諧波的研究是現(xiàn)行活動的重要部分;超級諧波也是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(電力和能源學會)已研討了超級諧波，并作為IEEE EMC學會TC7的重要領(lǐng)域。IEC TC 77A內(nèi)部幾個課題組和工作組均涉及這個頻率范圍。雖然TC 77A(低頻現(xiàn)象)和TC 77B(高頻現(xiàn)象)之間分界定在9kHz，這個界限現(xiàn)在應當被視為歷史了。
在歐洲，標準化組織CENELEC中，尤其是負責歐洲電壓特性標準EN 50160的工作組，對于2～150kHz頻帶超級諧波標準化的需求，也在應用導則中提及，超級諧波問題也包含在新近制定的IEC TS 62749中。由超級諧波的發(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)量測量方法)標準中的一部分。關(guān)于電力線通信的歐洲標準(EN 50065)和其對應的IEC標準(IEC61000-3-8)中明確頻率范圍為9～148.5kHz。
6、結(jié)語
2～150kHz的超級諧波的研究是一個快速發(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。目前國際上已有多個工作組在從事這方面研究，國內(nèi)也應積極開展此項研究工作。本文主要根據(jù)近期國外文獻資料，簡要介紹超級諧波的產(chǎn)生、影響、主要特點以及目前研究的概況，供相關(guān)專業(yè)人員參考。
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