超级谐波研究综述*

2017-12-20刘森黄毕尧王聪李建岐

电测与仪表 2017年12期

刘森，黄毕尧，王聪，李建岐

（1.中国矿业大学，北京100083；2.全球能源互联网研究院，北京102209）

0 引言

近些年大量的电力电子设备投入到电力的发、输、配等各个环节，家用设备中电力电子产品数量和种类更是不胜枚举［1-3］。随着国家对新能源汽车的补贴不断加大，充电桩接入配电网数量逐渐增大，它们都要经过电力电子电路从公用电网取电，同时多种分布式发电和储能装置接入公共电网中，将给配电网带来新的电能质量问题［2，4］。

电能质量的研究包括电能质量指标、电能质量扰动分析、电能质量监测与评估、电能质量问题治理等方面［5-6］，近几年研究者更多关注分布式电源接入电网的电能质量分析［7］。谐波作为电能质量领域的重要部分，2 kHz以下的谐波的产生、抑制、影响已经有了比较清晰的认识［8］，但是对于系统电压或电流中2 kHz以上频率分量的研究相对较少。外国学者Anders Larsson及其团队成员对2 kHz以上频率电压或电流分量的研究取得了一些成果，主要在它的产生、传播、测量、以及潜在的危害等方面。面向未来的分布式配电网中高频失真会对电力系统带来危害，2 kHz～150 kHz频段内相关标准还有待完善［9-10］。

电流或电压中频率为2 kHz～150 kHz的分量也被叫做超级谐波＂Supraharmonics＂，它第一次被提及是在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）电力能源学会（Power＆Energy Society）2013年学术年会上［11］，它特指电路中2 kHz～150 kHz的传导干扰，在之后的文献中基本采用了这个名称［12-13］。

文章主要概述超级谐波的来源、特征、影响以及超级谐波的标准化工作，并用简单的仿真验证了电力电子变换器与超级谐波紧密的联系，总结了超级谐波在电力负荷监测领域的应用，最后给出结论和建议。

1 超级谐波的来源

1.1 用电设备产生超级谐波分析

超级谐波被广泛认为是电力电子变换器开关频率带来的产物，电力电子器件在开关过程中会伴随较高的 d v／d t和 d i／d t，对于大功率设备，它们的开关频率可以低至1 kHz以下，但是很多设备中变换器的开关频率范围在2 kHz～150 kHz之间。虽然目前还没有对各种设备中变换器的开关频率的概述，但是生活中变频空调、荧光灯、微波炉等用电器中的变换器工作在40 kHz～50 kHz的功耗设备是很常见的。在Matlab／Simulink中PWM逆变器设置开关频率为10 kHz，仿真后在10 kHz处可见较大的谐波分量，如图1电流频谱所示。

图1 PWM逆变器电流频谱Fig.1 Current spectrum of PWM inverter

文献［14-16］分别探究了以双向可控硅为主控器件的调光器、新型充电桩、分布式电源并网的高频谐波，因为电力电子变换器存在非线性器件以及PWM控制策略等原因，往往在导通和关断瞬间产生不可避免的干扰，甚至存在影响其它设备工作的可能性。文献［17-21］对计算机、LED、太阳能发电等装置产生的谐波在实验环境或者现场做了相关测试，并发现以大型写字楼、商业办公楼为代表的建筑内，某些频段电流高频分量含量非常大。众所周知，单个设备运行时，它们发射出来的高频谐波含量较少；当大量多类型设备投入运行时，谐波的叠加并非简单的线性相加或相减，谐波累加是矢量和，累计效应可能是相互助涨，也可能相互削弱，因此，Anders Larsson博士对48盏日光灯在只开1盏、2盏……48盏的情况下发射的超级谐波进行了具体多次测量分析并指出：在27.4 kHz～29.2 kHz频段，随着日光灯数量增多，高频谐波电流减少，但是在2或者3盏灯同时工作时超级谐波发射量最大，然后，随着日光灯数量增加，超级谐波逐渐变小，15盏后超级谐波基本保持不变［21］。但是在大型写字楼、商业办公楼等场合，具有负荷多样性，工作状态复杂性等特点，超级谐波在何种情况下发射量最大，如何配置用电器使超级谐波发射量小等研究还不够明确。

此外，设备自身的检测和控制一直受周围电磁环境影响，就难以保证其输出、控制中就会伴随高次谐波。

1.2 电力线载波产生超级谐波

目前，智能电网建设过程中部署和应用了愈来愈多的智能电能表，在中国、欧洲等智能电能表采用的通信技术主要是电力线载波通信（PLC，Power Line Communication），其中欧洲电力线载波通信在标准EN 50065-1中规定：在低压网络中，电力线载波通信频率范围为3 kHz到148.5 kHz。主要指标规定如表1和表2所示。

表1 欧洲PLC子带规定Tab.1 PLC subband in Europe

表2 欧洲PLC子带发射限值Tab.2 PLC subband emission limits in Europe

最新修订的低压窄带电力线通信国家标准第一部分（GB／T 31983.11-2015）也有部分关于超级谐波频段的输出信号电平限值。虽然低压电力线窄带载波通信载波信号频率范围应为3 kHz～500 kHz，但国标中仍然建议优先选择IEC 61000-3-8规定的电力部门专用频带9 kHz～95 kHz。其中低压电力线窄带载波通信的输出信号电平限值如表3所示。

表3 输出信号电平限值Tab.3 Limits of output signal level

我国电力线通信标准与国际标准对输出电平限值比较相近，都还在不断推进中，标准中尚没有对超级谐波相关问题进行规范。所以在超级谐波的范围之内为实现精益化管理、标准化建设，相关标准化工作有待开展。设备自身的检测和控制一直受周围电磁环境影响，就难以保证其输出、控制中就会伴随高次谐波。

2 超级谐波新特征

超级谐波有别于谐波，主要体现在：超级谐波包含2 kHz～150 kHz频段内的所有频率的电量，与基波没有直接关系；而国际电工委员会对谐波的定义是：谐波分量的傅里叶级数中大于1的n次分量，n是谐波频率与基波频率之比的整数。

研究证明，超级谐波与普通谐波传输、扩散不同，它的发射包含原生发射和次生发射两种，原生发射表示非线性设备自身的谐波发射，次生发射表示背景谐波引起的设备谐波发射，超级谐波频率范围内的干扰电流主要在终端设备之间流动，只有很小一部分流向电网［18-19］。

量化电力设备连接处的谐波电流，研究清楚谐波的原生发射和次生发射是必要的。文献［22］中电器的简化模型已被引入来研究荧光灯、计算机等多台设备同时工作的高频发射量-一个电流源并联一个电容器，通过该模型搭建含有荧光灯设备集群的仿真，对比相角、谐波数据看出结果更加精确预测现实中的高频谐波，验证了高频谐波的排放与周围设备有密切关系。影响原生发射的主要因素有：装置的拓扑结构，连接点的阻抗，谐振。影响次生发射的主要因素有：邻近装置的发射强度，装置连接点阻抗和网络以及设施阻抗的关系。文献［23］中发现从电网侧的分析超级谐波，系统的阻抗非常低，所以大多数干扰的次生发射是不应该忽略的，在很多场合次生发射的频率冲激不仅要考虑单个设备，更多的是考虑大量多种设备的工况，而且已经发现终端设备的连接不但对超级谐波电流的传播有很大的影响，而且其原生发射电平的高低也被证实依赖于相邻设备的存在。

3 超级谐波的影响

3.1 对设备的影响

3.1.1 增加谐振的可能性

文献［24-25］依靠大量的测量与理论论证，针对实际运行的变换器情况分析了系统中高频谐振现象发生的可能性，因为串联谐振或者并联谐振对变换器乃至部分系统都是毁灭性的。文献［26］在实验室环境下测试出电流高频分量加快绝缘材料的降解，尤其是中压设备的老化现象并猜测其原因可能是高频震荡的存在。文献［27］基于瑞士日内瓦市内变压器过早老化问题，从理论上还有实际数据分析了运行的电力系统中150 kHz以下的短暂干扰的存在是变压器过早损坏的原因。

3.1.2 电容电流的骤升

普遍认为高频电流、电压分量在电网中传播不远，因为线路中存在很多比电网传输网络低很多的阻抗通路，其中EMC并联电容器是构成通路的主要成分。仿真结果表明［28］，高含量的超级谐波干扰对电解电容寿命非常不利，由式（1）易知，高频电量使流经电容的电流升高。

式中IC指流经电容的电流分量；f指流经电容电流的频率；C指电容值；UC指电容两端的电压分量。

据《中国电力》杂志不完全统计，1999年至2004年由于＂电网垃圾＂的影响导致电容器爆炸的事故共计1985起［29］。近些年虽然缺少干扰事件造成设备损坏的详细统计，但是形势更加令人堪忧，电容发热更加显著，升高的电流又增加了系统的功率损耗，危害更大的尖峰脉冲易使电容器介质局部放电，更加速电容器老化，而常用的铝电解电容工作温度升高7℃～10℃，电容的寿命就会降低一半［30］。文献［12，31］研究表明在紧凑型荧光灯（CFL，Compact Fluorescent Lamp）基波供电中加入一定高频成分时，会有电流升高的可能，这种节能灯的基本拓扑如图2所示。

图2 节能灯的基本拓扑Fig.2 Basic topology of energy-saving lamps

例如，在满足谐波标准的前提下，在基波中加入某些频率的电压量，当混入一定量的1 kHz～5 kHz电压成分时，节能灯的电流最大，且达到仅仅基波电压供电电流的1.9倍；在热效应方面，在正弦电压基波上叠加3.5 kHz电压分量，并使其满足式（2），Vrms50指输入端的基波电压有效值，Vrms3500指输入端的3.5 kHz电压有效值。

在持续工作一个小时后，仅仅基波电压供电的直流侧电容温度为52.8℃，整流二极管温度为76.4℃；然而，加入3.5 kHz谐波电压后供电的直流测电容温度为57.2℃，整流二极管温度为80.1℃。可见，超级谐波对设备中部分器件的温度提高有显著影响。

3.1.3 使设备工作失常

因为PLC信号在超级谐波的频率范围，文献［31］在实验室中搭建平台，用不连续的突发高频信号模拟PLC信号，验证PLC信号能否影响实验室环境中的两个触摸调光灯，通过观察触摸调光灯的亮度变化判断是否受到PLC信号的影响，测量结果表明触摸调光灯会被注入的突发信号影响，这意味着，有些设备将遭受干扰，即使他们远离使用的电力线载波通信设备。文献［32］基于PLC与终端设备之间的多种干扰实测数据，猜测9 kHz～95 kHz传导干扰可能损坏连接到电网的设备。

总之，工况生活中大量存在的整流模块、逆变器模块、变频器等，不断向电网或者在其周围小范围内释放大量的超级谐波，在低压配电系统中会因周围电力网络的相互作用使高频电流分量变得愈加复杂，谐振的多发，不正常的温升等加快设备的老化。未来分布式电源、储能、电动汽车等广泛布置在配电网中，这些设备均采用电力电子变换器与电网连接，并具有源特征，其发展必然增加更多的超级谐波，需要提前开展相关标准制定。

3.2 对载波通信的影响

中国和欧洲许多国家等持续部署智能电能表，大量的这些电能表将利用电力线通信来传输电表读数。电力线通信将只用于电能表和靠近配电变压器的接收机之间这段距离来传输数据。电力线通信是有意注入电网用于通信的信号，所以电网中设备应具备对PLC信号的免疫水平，客户设备的存在也应不妨碍通信成功。

然而目前配电网络中存在着大量干扰信号，可能影响PLC的准确传输。由于有些末端设备并联电容（整流器、逆变器等），很有可能给PLC信号提供低阻抗回路导致失真；载波设备发出的信号也可能损害配电网的设备，文献［33］从低压配电网络、负荷、电力设备等方面总结了影响电力线载波通信质量的潜在原因；文献［32，34］在实验室环境中探究了不连续的突发高频信号对两种触摸调光灯的影响情况，该实验中可以很明显观察到两种灯均由于这些信号受到干扰，甚至PLC装置与调光灯的距离达到100 m，仍然可以观察到影响。

所以PLC面临挑战的简图如图3所示，除了供电网络中阻抗的存在，实际上通信信号还必须应对存在于线路上其它设备发出的其他信号。研究表明，对通信信号最有害的影响是当某些设备连接到电路网络时，提供给通信信号一个低阻抗路径后出现的信号的分流［21］。

图3 PLC面临挑战Fig.3 PLC challenges

4 超级谐波标准化相关工作

2 kHz～150 kHz通常被称为一系列没有任何标准的频率范围，但是，这并不是一个合理的描述，因为实际上有许多标准覆盖该频率范围［35〛。CENELEC是欧洲电工标准化委员会，负责在电工工程领域的标准化。目前，超级谐波发射的干扰情况已由CENELEC TC 210汇总，相关标准要覆盖2 kHz以上频段的重要性，不但在2010年出版的CENELEC报告中提到，而且在不久前出版的欧盟电能质量标准EN 50160中也有提及。文献［15］概述了2 kHz～150 kHz频率范围的发射和抗干扰标准，并指出测量技术对标准化进程至关重要。在实际上窄带限制标准已经应用到电力线的通讯限制，对现有窄带限制标准的对比如图4所示；对于宽带信号限定标准的对比如图5所示。

图4 现有窄带限制Fig.4 Limits for current narrowband signals

图5 现有宽带限制Fig.5 Limits for current broadband signals

从图4和图5可以看出，在2 kHz～150 kHz范围，EN 50065，EN 50160，IEC 61000-3-8，CISPR 15这些标准尚没有统一的标准，虽然在95 kHz以下，EN 50065和IEC 61000-3-8这两种标准是相同的。

超级谐波的标准化工作已得到多个国际组织重视，其中包括：CENELEC／TC／8X、IEC／TC 210／WG1和IEC SC 77A／WG 9，尤其是负责欧洲电压特性标准EN 50160的工作组，对于2 kHz～150 kHz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［9，36］。覆盖超过2 kHz频段的相关标准也是IEC／TS 62749评估电能质量的一部分-公共连接点电能特性，已经在2014年实施。兼顾多种设备和设备间可能的谐振情况下，标准的制定必须在限定谐波源和允许设备表现出自身特性的前提下找到它们的边缘界限。

超级谐波的研究不只限定在标准化方面，它的测量技术、对电能质量的新影响等问题也在许多重大工作组的研究内容之列：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＂旨在探索适用于未来新的电气网络技术，能够满足更复杂和更精确的测量，应对电能质量的新问题，其中超级谐波的测量和评估是该工作组的挑战之一［37］；CIGRE2012 C6专委会会议牵涉到电能领域未来的研究方向，其中CIGRE C4／C6.29工作组＂太阳能电能质量方面＂已在开展超级谐波讨论应对新的电能质量挑战；CIGRE C4.31主要任务是制定中低压电力系统的谐波电流引起电磁干扰的评估指南，其中关于电力线通信9 kHz～150 kHz频带，作为潜在干扰问题在讨论［38］；IEEE P1250、IEEE EMC学会TC7已开展超级谐波讨论［39］；IEC TC 77A内部几个课题组和工作组均涉及这个频率范围。

5 超级谐波的测量

准确的测量供电系统中电压电流的超级谐波含量是进行超级谐波发射量评估和制定超级谐波免疫标准的前提［40］。虽然国际电工委员会在IEC 61000-4-7已给出对2 kHz～9 kHz内电压电流的测量方法，对9 kHz～150 kHz内电压电流的测量方法在草案IEC 61000-4-30 Ed.3中也提出了，但是仍存在一些弊端。文献［41-42］总结了2014年在斯德哥尔摩举办的电力系统谐波研讨会主要关注点，文中进一步分析指出如何测量高电压等级的高频电压是未来电力系统亟待解决的问题。

公共低压电网中超级谐波测量的前提是使用合适的高通滤波器，文献［43］的作者回顾了滤波器的设计方法，为了克服巴特沃斯滤波器在2 kHz～4 kHz误差大的问题，针对超级谐波的测量，作者提出了新的滤波优化设计建议，给出了传递函数，并论证了其综合性能的优越性。文献［44］介绍了一种测量超级谐波的设计方法，电能质量检测设备选用奥地利知名公司Dewetron生产的DEWE-3040TM系列，皮尔逊电流互感器，标准电压探头。电路结构如图6所示。

图6 电路结构Fig.6 Circuit configuration

6 超级谐波在负荷监测和负荷识别应用

大量的研究证明超级谐波主要来源于电力电子变换器以及相关的PWM技术，对于此部分谐波的深入认识对现有负荷识别技术的提高有极大帮助，尤其对非线性负荷的识别能力。

用户侧电力消耗情况的管理是构建智能电网不可或缺的部分，体现着电网的智能化程度。非侵入式电力负荷识别技术是对用电侧智能管理的关键技术，该技术由MIT（麻省理工大学）的研究团队在上世纪八十年代首次提出［45］，目前一直是国内外研究的热点，全面的电力负荷使用规律不但为电网仿真模型、电网建设和电能调控提供准确的数据支撑，而且有望成为智能电网中降低住宅能耗和能源管理的重要工具。寻找准确的负荷特性印记用于算法研究是负荷识别技术的重点，也是制约该技术发展的瓶颈，现有负荷识别技术往往应用的是：电流特性、PQ特性、谐波特性、瞬时功率特性、电流包络线特性、V-I特性、开关暂态特性［46-49］。捕捉用电侧多种设备的瞬时开关暂态特性来识别用电器的研究很多，并且结合人工神经网络算法、聚类分析方法或者整数划归方法等方法，另外由于低压侧用电设备的数量庞大、种类繁多，而且操作情况复杂多样，所以准确反映用电设备的特征印记还再探索。

表4 现有电力负荷辨识模式总结Tab.4 Summary of patterns across power load identification

大多数非侵入式负荷识别算法都在MIT的负荷识别算法基础上加以改进，文章［50-51］提出扩展版本的MIT算法，它对于有较大负荷尖峰冲激的设备有准确的识别能力；后来的文献［52-53］对其算法进行了改进。文献［54-56］把贝叶斯分类原理和神经网络应用于对多种设备的识别。

斯坦福大学研究表明，设备的耗电量信息反馈给消费者可以影响用户的用电行为，甚至可以节能12%以上，这需要升级现有计量基础设施，对采集的数据进行定义，解决非侵入式负荷检测问题。表4总结出了现有的电力负荷辨识的研究成果和性能要求，表明随着采集频率的升高，负荷辨识的能力将会进一步提升，超级谐波甚至更高频谐波的监测为电力负荷辨识问题提供新的研究思路［54］。本文对高频干扰的分析恰好提供了一种电力负荷特性印记，目前负荷辨识的暂态特性提取还没有考虑对超级谐波对应的频谱与电器之间的密切关联，因为低压侧大部分电压接入口都经过电力电子电路与电网连接，未来任何设备必然至少经过一次电力电子电路与网侧连接，如图7所示。所以对超级谐波的认识是非侵入式负荷识别技术的一个突破口，未来把电力接入侧2 kHz～150 kHz频段特性提取甚至更高频段提取加入到负荷识别特征提取的范围内，然后对应电力电子电路的特征对应，根据电力电子变换器拓扑类型、设备的工作频率、控制策略与负荷的功率、工作时间等操作特性的结合必然是实现低压侧负荷辨识的方法之一，同时，各种设备上配置的开关电源类型和通盘考虑的设备EMI规范不但有利于非侵入式负荷识别技术的进步，也是未来智能电网能源管理不容忽视的。