电网谐波问题的新发展：探讨超高次谐波

2kHz～150kHz超高次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，扼要介绍超高次谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究动态。

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”（unwantedvoltage）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：U1为基波电压有效值；Uf为频率为的电压分量有效值；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“超高次谐波”（supraharmonics）。

对于超高次谐波，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，简要介绍超高次谐波的产生、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 超高次谐波的产生

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范围内超高次谐波迅速增加，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高次谐波范围内，因此电网中超高次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 超高次谐波的特点

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（primaryemission）和次生发射（secondaryemission）。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，超高次谐波频率越高，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。这是超高次谐波的另一特点。

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，这给超高次谐波影响研究和标准的制定带来很大的复杂性。