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電網諧波問題的新發展——談超級諧波

知識百科

2～150kHz超級諧波的研究是一個快速發展的新領域， 特別是用于可再生能源的電網逆變器和開關電源的影響 。 這類諧波大量引入現代低壓電網， 引發了不少電能質量新問題 。 目前國際上已有多個工作組在從事這方面研究 。 文章主要根據近期國外文獻資料， 扼要介紹超級諧波的產生、影響、主要特點以及目前研究動態 。
引言
關于較高頻率(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%;對于這個范圍內任何200Hz帶寬的諧波， 設其中心頻率為， 則建議限值為：

電網諧波問題的新發展——談超級諧波

文章插圖

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)、歐洲電工技術標準化委員會(CENELEC)、國際大電網會議(CIGRE)、國際供電會議(CIRED)以及IEEE等國際組織中均開展研究， 并根據干擾源(例如換流器、開關電源)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， 我國尚未開展相關的研究， 但某些影響已有察覺 。 本文主要根據近期國外文獻資料， 簡要介紹超級諧波的產生、影響、主要特點以及目前研究的動態， 供相關專業人員參考， 以期在國內開展這方面的研究 。
1、超級諧波的產生
當今， 電力電子技術仍在快速發展， 其應用范圍幾乎滲透到各個領域 。 該技術發展的重要標志之一是晶閘管的開關速度大幅度提高， 例如逆變器(DC/AC變換器)的開關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， 特別是大量太陽能光伏逆變器(即PV逆變器)的投入， 以及各種開關電源的應用， 使電網(主要在低壓電網)中2kHz～150kHz范圍內超級諧波迅速增加， 其有害影響的案例也在不斷上升 。
另外， 公用電網一般還用于信號傳輸， 文獻[3]中考慮了3種類型信號系統：
1)電力公司的脈動控制系統， 頻率范圍為100Hz～3kHz(一般低于500Hz)， 正常情況下在5%N以內， 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， 這些信號在電網中傳輸時會很快衰減(大于40dB) 。
3)末端用戶(居民區或工業用戶)的信號系統， 如歐洲(ITU區域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， 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， 因此電網中超級諧波源既有各種電子設備產生的， 也有人為使用的通信設備產生 。
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射， 這是一種新型電能質量現象 。 特點之一是所謂的原生發射(primary emission)和次生發射(seco