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电网谐波问题的新发展:探讨超高次谐波

时间:2017-07-05 16:00:45  来源:供用电杂志   作者:

 

关于较高频率(指工频40次或50次以上)谐波问题,最早见于文献[1-2],于2002年列为这两个IEC国际标准的资料性附录。
文献[1]将50次以上的谐波电压和间谐波电压一并纳入“无用电压”(unwantedvoltage)范畴。
文献[2]则专门谈了50次至9kHz谐波频率的测量问题。应注意,IEC将低频和高频的分界点定为9kHz,因此所谓“较高频率谐波”指的是约2kHz(对应欧洲通用的40次谐波)至9kHz的谐波,仍属低频传导干扰范围。由于在电网中纹波控制接收机响应水平低至0.3%标称电压,为了避免被干扰,文献[1]的附录B中建议50次以上,9kHz以下单次谐波限值为=0.2%;对于这个范围内任何200Hz带宽的谐波,设其中心频率为,则建议限值为:
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式中:U1为基波电压有效值;Uf为频率为的电压分量有效值;F为频带的中心频率(高于50次谐波的频带)。
文献[1]附录B中指出,已有超过上述水平引起干扰的一些实例,但目前对这些频率成分在电网中的影响,知之甚少,还不足以确定公认的兼容水平。
从2000年以来,对于“较高频率”谐波,在国际电工委员会(IEC)、欧洲电工技术标准化委员会(CENELEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)以及IEEE等国际组织中均开展研究,并根据干扰源(例如换流器、开关电源)和敏感设备(例如电力线载波通信)的频谱覆盖范围,将频率拓展为2kHz~150kHz,并定义为“超高次谐波”(supraharmonics)。
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对于超高次谐波,我国尚未开展相关的研究,但某些影响已有察觉。本文主要根据近期国外文献资料,简要介绍超高次谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究的动态,供相关专业人员参考,以期在国内开展这方面的研究。
1 超高次谐波的产生
当今,电力电子技术仍在快速发展,其应用范围几乎渗透到各个领域。该技术发展的重要标志之一是晶闸管的开关速度大幅度提高,例如逆变器(DC/AC变换器)的开关频率已从早期的几十赫兹、几千赫兹提高到几十千赫兹甚至几百千赫兹。随着可再生能源的大力开发,特别是大量太阳能光伏逆变器(即PV逆变器)的投入,以及各种开关电源的应用,使电网(主要在低压电网)中2kHz~150kHz范围内超高次谐波迅速增加,其有害影响的案例也在不断上升。
另外,公用电网一般还用于信号传输,文献[3]中考虑了3种类型信号系统:
1)电力公司的脉动控制系统,频率范围为100Hz~3kHz(一般低于500Hz),正常情况下在5%N以内,有谐振时可达9%N。
2)电力公司的电力载波,频率范围为3kHz~95kHz,允许信号水平为5%N,这些信号在电网中传输时会很快衰减(大于40dB)。
3)末端用户(居民区或工业用户)的信号系统,如欧洲(ITU区域1)频率范围为95kHz~148.5kHz,允许信号水平分别为0.6%N或5%N。在某些国家或地区,频率上限到500kHz,允许信号水平为2mV~0.6mV。这些信号的频率相当部分在超高次谐波范围内,因此电网中超高次谐波源既有各种电子设备产生的,也有人为使用的通信设备产生。
2 超高次谐波的特点
研究证明,2kHz~150kHz谐波的传输扩散不同于普通谐波发射,这是一种新型电能质量现象。特点之一是所谓的原生发射(primaryemission)和次生发射(secondaryemission)。原生发射是指骚扰源(装置)单独引起的发射;次生发射是指其他装置发射时对其影响后骚扰源(装置)的发射。这两者有明显的不同。影响原生发射的主要因素有:
①装置的拓扑结构;
②连接点的阻抗;
③谐振。
在低压网络中,装置的连接点阻抗由变压器、电缆(称之为“网络的阻抗”)以及建筑物内部线路,连同其他连接装置阻抗构成,后者可以称为设施的阻抗,在2kHz~150kHz频率范围内,网络阻抗以电感为主,较设施阻抗(往往以所连装置的电容为主)相对要高。影响次生发射的主要因素有:
①邻近装置的发射强度;
②装置连接点阻抗和网络以及
设施阻抗的关系。
图1是一台电视机(TV)对一个PV逆变器的原生和次生发射的实测波形[4]。PV逆变器产生的主要谐波频率16kHz,当TV连接时,PV逆变器的次生发射在16kHz处频谱明显放大;另外出现55kHz谱线,后者在原生发射中不出现,说明是由TV产生的。测试还发现,超高次谐波频率越高,则传输距离越近:由PV逆变器产生的16kHz分量水平在试验屋内的连接点处保持相当稳定,在公共连接点(PCC)处略有降低,在PCC处测不到屋内其他装置产生的55kHz~150kHz电压或电流成分,这说明这些频率分量只在室内电器之间传递,并不进入电网。这是超高次谐波的另一特点。
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图1 一台TV对一个PV逆变器原生和次生发射的影响
因此,确切了解在设施(例如一个实验室,一个家庭)中运行的电子装置(例如PV逆变器、TV、LED灯、便携式电脑等等)端子上电流,必须区分原生和次生发射。一台装置的次生发射受邻近设备的容量和性能影响极大,这在考虑电子装置的电磁兼容水平时是需要详细研究的。将一个设施作为整体,其测量结果,不能给出设施内部发射水平的正确表示;反之,各装置端子上发射测量不能代表整体设施对电网的发射。实验室中发射结果也不能很好反映实际使用情况,这给超高次谐波影响研究和标准的制定带来很大的复杂性。
3 超高次谐波的影响
文献[5]指出:电网中2kHz~150kHz频率范围的发射水平持续上升,由此引发的干扰事件也不断增加,例如设备误动,表计指示失真,电子镇流器的噪声加大等。研究指出,高频(HF)电压成分在电网中一般传输不很远,原因是安装在HF发射源附近的其他电子设备常提供比网络本身阻抗低得多的通路,这种低阻抗通路主要是由并联电容器(它可能是EMC滤波器组成部分)或整流器的直流联络环节,其中关键是电介质电容器,这种电容器通过HF电流时会产生附加发热,减少寿命,从而造成电子设备故障。
文献[6]对窄带电力线通信和末端用户设备之间在实验室和现场做了5种不同类型的相互作用测试,认为末端用户设备造成低阻抗通路是发生通信故障的最普通的原因;由于末端用户设备的并联电容,也有可能使载波通信损坏接入电网的设备。
4 仿真模型
为了研究超高次谐波在低压配电网中的干扰影响,文献[7]基于Matlab/Simulink软件及其SimPowerSystems程序库建立一个仿真模型,扼要介绍如下:
1)逆变器模型。见图2,用最通用的PWM控制开关,用此方法使低频谐波较少,但高频谐波较大。在直流侧只用一个直流(DC)电压源(=360V),因为该回路对交流侧HF干扰的影响不大;f滤波器已选定(f=12.8mH),主要使低于2kHz的谐波满足标准要求,并可减少2kHz~150kHz谐波(尚无标准)。
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图2 逆变器模型
2)LV配电网模型。该模型分为两个部分,首先是LV馈线,为了简化,采用三相分段π线路模型,见图3。和低频(LF)模型相比主要有两点不同:首先在高频(HF)情况下电容不能忽略,这使分析计算复杂化;另外在HF下电阻因集肤效应变大,而且不同频率应取不同电阻值,不过在综合元件模型中(例如用SimPowerSystem程序库中的模型)电阻值必须固定,本模型参数是从表1的正序和负序参数中推出的。除了LV馈线,MV/LV变压器是网络中主设备,变压器的参数是由特别测试得到的,预先包含在中压(MV)网的戴维宁(Thevenin)等值模型中,上述的MV电源用SimPowerSystem程序库的三相电压表示,其短路功率150MVA,/为4/7,这些均是典型值。
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图3 三相分段π线路
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在上述模型基础上,搭建各种仿真线路图,例如图4为研究一台逆变器和一个整流型负载相互影响的仿真框图。
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图4 研究一台逆变器和一个整流型负载相互影响的仿真线路图
5 研究动态
由于电力电子技术的发展和迅速普及,近10年来,电网中“超高次谐波”水平日益增加,相关的异常和事故不断出现,迫切需要对其作深入研究,使其标准化。目前已有多个工种组开展了这个课题的工作[8]。
CIGRE/CIRED联合工作组C4.24:“与未来电气网络相关的电能质量和EMC问题”对频带为2kHz~150kHz超高次谐波的研究是现行活动的重要部分;
超高次谐波也是CIGREC4/C6.29工作组:“太阳电力电能质量方面”研讨的主题之一;
CIGREC4.31关于电力线通信9kHz~150kHz频带,作为潜在干扰问题在讨论。
在IEEE内部,IEEEP1250(电力和能源学会)已研讨了超高次谐波,并作为IEEEEMC学会TC7的重要领域。
IECTC77A内部几个课题组和工作组均涉及这个频率范围。虽然TC77A(低频现象)和TC77B(高频现象)之间分界定在9kHz,这个界限现在应当被视为历史了。
在欧洲,标准化组织CENELEC中,尤其是负责欧洲电压特性标准EN50160的工作组,对于2kHz~150kHz频带超高次谐波标准化的需求,也在应用导则中提及,超高次谐波问题也包含在新近制定的IECTS62749中[3]。由超高次谐波的发射观察到的干扰信息由CENELECTC210汇总,其中与电力线通信的潜在干扰成为主要因素。该频率范围发射的定量是最新起草的IEC61000-4-30(即电能质量测量方法)标准中的一部分。关于电力线通信的欧洲标准(EN50065)和其对应的IEC标准(IEC61000-3-8)中明确频率范围为9kHz~148.5kHz。
6 结语
2kHz~150kHz的超高次谐波的研究是一个快速发展的领域[9],特别是用于可再生能源的电网逆变器和开关电源的影响,这类谐波大量引入现代低压电网。引发了不少电能质量新问题,迫切需要深入探讨。目前国际上已有多个工作组在从事这方面研究,国内也应积极开展此项研究工作。本文主要根据近期国外文献资料,简要介绍超高次谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究的概况,供相关专业人员参考。
 
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