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电网谐波问题的新发展——谈超级谐波

2016-01-12 11:29
逆光飞舞
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  2~150kHz超级谐波的研究是一个快速发展的新领域,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。目前国际上已有多个工作组在从事这方面研究。文章主要根据近期国外文献资料,扼要介绍超级谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究动态。

  引言

  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”(unwanted voltage)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:

  式中:U 1为基波电压有效值;U f为频率为f 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“超级谐波”(supraharmonics)。

  对于超级谐波,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,简要介绍超级谐波的产生、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、超级谐波的产生

  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范围内超级谐波迅速增加,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级谐波范围内,因此电网中超级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、超级谐波的特点

  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(primary emission)和次生发射(secondary emission)。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,超级谐波频率越高,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。这是超级谐波的另一特点。

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