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