间谐波是一种广泛存在于电力系统中的特殊谐波。由于电力电子装置和设备广泛的使用,导致间谐波的幅值增大。目前中国正在积极发展坚强的智能电网,电力电子是坚强智能电网的重要技术支持,所以未来的智能电网中间谐波将是一个严重的问题。文章主要论述间谐波来源和最常见的影响。同时,简要介绍GB/T24337-2009《电能质量公用电网间谐波》中的主要条文。
0、引言
目前电力系统的谐波问题已引起广泛的关注。通常的谐波一般指频率为工频(基波频率)整数倍的正弦成分。现行国家标准《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-1993)只对这类谐波规定了限值和测试方法,而对于间谐波(interharmonics),2009年颁布了国标《电能质量公用电网间谐波》(GB/T 24337-2009),但是相关的文献资料却很少,又缺乏测量手段,人们对其关注度较低。实际上间谐波及其影响广泛存在于电力系统中。随着电力电子装置的广泛使用,特别是分布式电源的接入,智能电网的发展,电网中电磁干扰更趋复杂化,间谐波将会成为严重的问题。本文就间谐波的来源、影响以及标准进行简要分析和介绍,使相关技术人员对此问题有较深入的认识,以利于对国标的理解和贯彻执行,避免对相关问题的误判。
1、间谐波的来源
1.1波动负载
所谓间谐波是指非整数倍基波频率的谐波,这类谐波可以是离散频谱的或连续频谱的。根据傅立叶分解理论,周期性的非正弦量只能分解出(或产生)整数次的谐波。实际上许多负载(不论是线性的或是非线性的)是波动的,在这种情况下对于工频,“周期性”的前提已不存在,因而用傅立叶理论分析的结果不符合或不完全符合实际。为了说明此问题,假定有某一调幅波电压
由式(2)可以看出,经角频率为Ω的调幅波电压McosΩt调制后,从u(t)的频谱看,除了稳态电压中角频率为hω成分外,各次谐波(包括基波)中增加了旁频(hω±Ω)成分,其幅值均为M/2。某些负载也可能频率(或相位)也是波动的,这种波动自然就形成间谐波成分,无须专门分析。
实际上,调幅波很可能存在多个频率成分(设为n个),则按式(1)调制的结果为各次谐波(包括基波)均增加n对(即2n个)旁频成分,这些旁频成分就是间谐波。
1.2电弧类负载
电弧的伏安特性是高度的非线性而且又是波动的,这类负载主要有电弧炉、电弧焊机、具有磁力镇流器的放电类型的照明。电弧炉在不同工况有不同的频谱特性。图1为电弧炉频谱示例。从图中可以看出,电流中除了主要的整数次谐波以外,还有大量间谐波成分,而且熔化期的谐波水平明显高于精炼期的水平。实际上这类负载是一种特殊的波动负载。
1.3工频感应炉
感应炉已经广泛应用于锻压工业中加热含铁的和非铁的原材料。现代感应炉用电力电子变流器供给炉子感应线圈可变频率的电流,见图2。线圈中电流频率要配合炉子中炉料的性质和数量作适当变化。炉子线圈和电容器形成一个谐振回路。将直流变为交流的逆变器不断供给电流,以维持震荡。炉子在相继完成工作循环(例如由熔化到浇注循环)中,根据炉料性质、温度和数量不断改变线圈的电感,从而改变了炉子工作频率。对于感应炉,典型的频率是150~1200Hz。
下面举例说明:1台12脉动电流源,在直流联络线上用电抗器来平滑进入逆变器的电流,见图2。
在交流侧线电流中典型的特征谐波有11、13、23、25等次,同时一些非特征谐波,如5次和7次也有可能存在。但是当炉子由一个工作循环进入另一个循环时,由于逆变器不同输出频率组分互相作用,也存在非整数次频率的电流。逆变器的开关把炉子回路的各种频率电流,通过基本上稳定(存在小波动)的直流联络线电流,反映到交流侧功率上。互相作用结果,在交流侧产生间谐波。间谐波以下列频率成对出现:
式中:f 0、fs分别为炉子工作频率和交流电源频率(基频,60Hz)。因此,如果炉子工作频率为160Hz,第一对间谐波电流频率为260Hz和380Hz;第二对间谐波电流频率为580Hz和700Hz,幅值比第一对小。感应炉电流的典型频谱见图3。在这个特例中,5次谐波是非特征谐波,但是几乎在所有实际电力系统中,5次谐波都含量不少。随着炉子完成熔化和浇注循环,间谐波历时几秒至几分钟,在一个宽广频率范围内慢慢移动。由于造成的间谐波频率范围宽,所以在供电系统中可能激发谐振。