新的多谐波源同次谐波叠加模型：标准化应用

扈罗全， 曹 栋

(1.苏州出入境检验检疫局, 江苏 苏州 215021； 2.苏州大学 城市轨道交通学院， 江苏 苏州 215006)

新的多谐波源同次谐波叠加模型：标准化应用

扈罗全1,2， 曹 栋2

(1.苏州出入境检验检疫局, 江苏 苏州 215021； 2.苏州大学 城市轨道交通学院， 江苏 苏州 215006)

考虑多谐波源设备遇到的同次谐波叠加问题， 介绍现有标准中使用的同次谐波叠加方法， 以及新的功率因数加权α-范数叠加方法．针对IEC TR 61000-3-14和IEC TR 61000-3-6标准中涉及的谐波限值计算的相关技术条款， 针对多功能设备、 多谐波源设备、 等价测试技术条款、 功率因数、 通用叠加方法以及模型指数推荐表等6个方面， 提出了修改意见．使用功率因数加权叠加方法计算奇次和偶次谐波分量， 在标准化应用中也具有更好的通用性．

电磁兼容； 谐波叠加； 多谐波源； 标准； 功率因数

Abstract: Considering the summation (or, superposition) of harmonic current in multiple harmonic sources, this paper introduces the homogeneous order harmonic summation law in current harmonic standards and the novelα-norm summation law based on power factor for multiple harmonic source devicesfirstly. According to the technical clauses related to harmonic limits computation in IEC TR 61000-3-14 IEC TR 61000-3-6, suggestions are made for the six aspectswhich include multi-functional equipment, multi-source harmonic equipment, technical clause for equivalent measurement, power factor, general summation law, and the recommended exponent for harmonic component summation model. The odd and the even order harmonics are evaluated by the summation law based on power factor for multiple harmonic source devices. It has shown that the novel summation model is more general.

Keywords: electromagnetic compatibility; harmonics summation; multiple harmonic sources; standards; power factor

0 引 言

含有非线性电路构成的非线性负荷结构的产品或设备， 会产生明显的谐波电流污染．随着技术不断升级换代， 接入电网的设备类型及数量剧增， 公共电网中谐波污染问题会变得日趋严重. 谐波电流注入接入电网， 能够造成电网电压和电流畸变， 供电质量下降. 为控制电子电气设备产生的谐波电流对公共电网造成的危害， 国际电工委员会制定了限制产品谐波电流的标准. 以IEC TR 61000-3-14作为骚扰装置接入低压电力系统的谐波、 间谐波、 电压波动和不平衡的发射限值评估标准[1]， 使用了多谐波源谐波叠加模型. 以IEC TR 61000-3-6作为中压、 高压和超高压电力系统中连接骚扰设备产生的谐波排放评估限值标准[2]， 使用的多谐波源同次谐波叠加模型， 在工程应用中存在一些缺陷. 当前多谐波源谐波叠加问题主要使用随机变量的方法进行研究[3-8]. 文献[9]对当前该谐波叠加的技术问题进行了深入分析， 得到了新的多谐波源同次谐波叠加模型方法. 综合前期研究成果[9-12]， 需要把新的研究结果引入谐波检测的标准化， 作为多谐波源同次谐波叠加研究领域的一种工程应用.

多谐波源设备通常是指在一个局部系统中多台会产生谐波分量的设备集成系统. 从谐波发射的角度进行分析， 可以把多功能电子设备视为多谐波源设备的一种简化模型. 在当前谐波相关的标准中， 还没有明确规定此类产品与设备的测试技术要求， 需要使用标准中的通则条款进行相关测试. 在IEC TR 61000-3-6∶2008标准中， 引入了谐波电压兼容水平、 规划水平和发射水平， 规定了畸变负荷接入的3级评估方法. 本文利用以前研究的一些成果， 对IEC TR 61000-3-6∶2008标准的部分技术条款提出了若干修改意见， 进一步完善了本研究组提出的多谐波源同次谐波叠加模型， 对今后在谐波标准中对相关技术条款修订和完善有着重要的应用价值.

1 现有标准中的同次谐波电流发射叠加方法模型

在新版标准IEC TR 61000-3-6∶2008第7章中， 给出了对所考虑的一组谐波源(取置信度为95%的概率统计值)进行数学运算的叠加算法， 同时取消了旧版(1996年版本)标准中的简化叠加算法[2]. 目前该新版标准在国际上得到广泛应用.

在标准IEC 61000-3-6∶2008第7章中， 给出了对所考虑的一组谐波源(取置信度为95%的概率统计值)进行数学运算， 其通用的求和方法表达为[2]

式中：Uh为所考虑的一组谐波源经计算得到的谐波电压或谐波电流；h为谐波次数；Uhi为来自第i个谐波源的谐波值；α为模型指数， 通常其取值范围为1≤α≤2.

当来自不同谐波源的谐波以较大概率可能同相时(通常情况下， 只需要同次谐波间相角之差小于90°)， 对式(1)可以使用简化法则， 即令α=1， 则有

在标准IEC TR 61000-3-14中， 直接引用了上述模型的结果对谐波电流进行评估.

2 功率因数加权α-范数叠加方法

假设各次谐波分量具有相同的功率因数， 根据文献[9]对分谐波源部分相关性假设得到的理论结果对于多谐波源系统存在一个常数α， 使得式(3)成立[9]

式中：F为整套系统的功率因数；fj为各个分谐波源设备的功率因数；ih，ihj分别为合成谐波源系统中， 第h次合成源谐波、 第j个独立源谐波的电流分量.

在数学结构上， 式(3)可被称作功率因数加权α-范数叠加方法. 不难发现， 对式(3)进行模型简化， 经推导后可得式(1).

3 IEC谐波限值标准中部分技术条款的修改建议

若待测设备为多功能产品等组成的多谐波源设备， 当其包含的多功能数量较多时， 允许其按照使用独立的功能分别进行测试， 只要满足如下条件：

1)分别进行独立测试时， 要覆盖产品的所有功能.

2)独立测试的各次谐波电流的线性和， 满足谐波电流发射测试的限值要求.

与之等效的是， 当该类设备的所有功能都启用时， 一次测试的谐波电流发射值满足谐波电流发射测试的限值要求.

需要指出的是， 实验中设备类别划分需要具有一致性， 即当整体设备被判断划分入某类别后， 各个独立功能的子设备需要被划分入相同的类别. 一些与谐波发射限值相关标准的修改建议描述如下：

3.1 多功能设备

随着新型电子、 电气和机械设备向着集成化、 智能化方向发展， 相关检测标准中与之配套的检测检验流程和装置也需要不断地进行更新发展. 目前对于多功能设备还没有统一规范的定义. 根据该类设备的实际情况， 结合有关的文献资料， 建议对其定义如下：

多功能设备 multi-functional equipment： 此设备可同时给用户提供两种或两种以上不同功能.

(注： 通常对于不同功能的划分， 可参照该设备使用电力能源的不同形式， 如照明、 加热、 充电等功能， 可视为不同的功能.)

3.2 多谐波源设备

多谐波源设备看做通常是指在一个局部系统中多台会产生谐波分量的设备集成系统， 可以把多功能电子设备看做是多谐波源设备的一种简化模型. 建议对其定义如下：

多谐波源设备 multi-source harmonic equipment

一种设备， 由多台相同或不同类型的设备组成， 各子设备可以独立运行； 或者是一台集成设备， 其有多种独立的运行功能. 多功能设备是一种多谐波源设备.

3.3 等价测试技术条款

当设备的运行功能较多时， 允许使用替代法， 分别对各个独立的功能进行测试， 并把测试得到的数据进行线性叠加. 当线性叠加运算得到的谐波电流总值满足标准中限值的要求时， 该多功能产品符合标准的要求.

3.4 功率因数

功率因数的定义如下：

功率因数， 为某一电路中该设备正常工况下运行时， 所测的有功输入功率与供电电压(有效值)和供电电流(有效值)乘积之比.

3.5 通用叠加方法

通用叠加方法可用于谐波电压和谐波电流. 以h次谐波电压为例， 公式表示为

式中：F为合成的整套系统的功率因数， 也可叫耦合因子;fj为分谐波源设备的功率因数;uh和uhj分别为合成谐波源系统中第h次合成源谐波电压或电流分量、 第j个独立源谐波电压或电流分量，α为模型系数.

(注： 在式(4)表示的叠加模型中， 1≤α≤2.α的取值越大， 计算的结果越小， 对于待测设备的谐波发射限制越严格.)

3.6 模型指数推荐表

模型(4)中α为指数， 通常其取值范围为1≤α≤2.

当来自不同谐波源的谐波以较大概率可能同相时(通常情况下， 只需要同次谐波间相角之差小于90°)，α=1.

当来自不同谐波源的谐波以较大概率可能异相时， 可以假设来自不同谐波源的随机相角相互独立， 且服从均匀分布， 则α=2.

表 1 谐波分量叠加模型指数(推荐值)

4 结 论

奇次谐波分量可以使用功率因数加权线性叠加方法进行计算； 对于偶次谐波分量， 可以使用功率因数加权α-范数通用叠加方法进行计算. 本文推荐的以式(4)表示的功率因数加权谐波分量叠加方法这一模型， 文献[9]已经在理论上得到证明是切实可行的. 本文把以前研究得到的分析结果， 总结为对相关的谐波技术标准的修改意见， 可以作为涵盖多谐波源同次谐波分量叠加模型的标准化修改建议材料， 应用于该类产品的实际测试. 此外， 以式(4)表示的功率因数加权谐波分量叠加方法， 也可应用于产品的研发设计， 以评估谐波电压、 谐波电流的规划水平和发射水平， 增加该谐波标准的适用范围， 进一步提高标准的通用性要求.

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NovelSummationModelsforHarmonicCurrentwithIdenticalOrderFromMultipleHarmonicSources:ApplicationsinStandards

HU Luoquan1,2, CAO Dong2

(1. Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Suzhou 215021, China; 2. School of Urban Rail Transportation, Suzhou University, Suzhou 215006, China)

1671-7449(2017)05-0443-05

TM711

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.013

2017-01-19

国家质检总局科研资助项目(2014IK192)； 苏州出入境检验检疫局科研资助项目(SISC201604)

扈罗全(1972-)， 男， 高级工程师， 博士， 主要从事电磁兼容， 安全性能检测等研究.