浅谈智能电网谐波问题——超级谐波的发展
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。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。
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，这给超级谐波影响研究和标准的制定带来很大的复杂性。
3、超级谐波的影响
文献指出：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
为了研究超级谐波在低压配电网中的干扰影响，文献基于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）。
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。
图3 三相分段π线路
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
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。
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 “超级谐波”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。 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超级谐波的研究是现行活动的重要部分;超级谐波也是cigrec4/c6.29工作组：“太阳电力电能质量方面”研讨的主题之一;cigre c4.31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，ieee p1250（电力和能源学会）已研讨了超级谐波，并作为ieee emc学会tc7的重要领域。iec tc 77a内部几个课题组和工作组均涉及这个频率范围。虽然tc 77a（低频现象）和tc 77b（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en 50160的工作组，对于2～150khz频带超级谐波标准化的需求，也在应用导则中提及，超级谐波问题也包含在新近制定的iec ts 62749中。由超级谐波的发射观察到的干扰信息由cenelec tc 210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iec 61000-4-30（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（en 50065）和其对应的iec标准（iec61000-3-8）中明确频率范围为9～148.5khz。
6、结语
2～150khz的超级谐波的研究是一个快速发展的领域，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，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，简要介绍超级谐波的产生、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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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。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。
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，这给超级谐波影响研究和标准的制定带来很大的复杂性。
3、超级谐波的影响
文献指出：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
为了研究超级谐波在低压配电网中的干扰影响，文献基于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）。
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。
图3 三相分段π线路
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
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。
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 “超级谐波”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。 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超级谐波的研究是现行活动的重要部分;超级谐波也是cigrec4/c6.29工作组：“太阳电力电能质量方面”研讨的主题之一;cigre c4.31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，ieee p1250（电力和能源学会）已研讨了超级谐波，并作为ieee emc学会tc7的重要领域。iec tc 77a内部几个课题组和工作组均涉及这个频率范围。虽然tc 77a（低频现象）和tc 77b（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en 50160的工作组，对于2～150khz频带超级谐波标准化的需求，也在应用导则中提及，超级谐波问题也包含在新近制定的iec ts 62749中。由超级谐波的发射观察到的干扰信息由cenelec tc 210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iec 61000-4-30（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（en 50065）和其对应的iec标准（iec61000-3-8）中明确频率范围为9～148.5khz。
6、结语
2～150khz的超级谐波的研究是一个快速发展的领域，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，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，简要介绍超级谐波的产生、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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