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新能源电网中的间谐波问题研究与探讨  

2016-08-03 15:31:30|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 回顾谐波的物理特征与数学定义电力谐波(electricalharmonics)是一个数学或物理学概念都很清楚并已有确切技术定义的电气量。

  谐波的数学基础与定义

  满足Dirichlet条件的时间周期函数f(t+T),可以分解为用常数和与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合。即对于周期性函数的傅里叶级数分解与离散频谱表示方法。

  让我们把一个在时域周期性变化的波形转换到频域去观察,从已知的正弦函数波形的整数倍频率及其幅值的离散组合去计算求解。电能形式传输抓住了事物内在物理特征,简化了计算分析过程。

  谐波的物理意义

  “谐波-harmonic”一词起源于声学,其涉及的音频即是物理学上空气的谐频振动。并定义为基准频率2倍的音频称之为一次泛音,并以此类推。

  在交流电力系统中,本应以单一正弦标称频率(纯净完美)电能形式传输分配和使用,但却存在有其他频率分量的电气(污染)现象。

  畸变波形的分解与正弦波形的叠加作用

  线性系统具备一个特点,多个正弦波叠加后输入至一个系统,输出是所有正弦波独立输入时对应输出的叠加。也就是说,我们只要研究正弦波的输入输出关系,就可以知道常见的线性系统对任意输入信号的响应。

  过程谐波不稳定与不确定性问题

  1)准稳态谐波:在工程实际中,一定时间范围内,可以简化认为谐波处于稳定状态,其周期性是确定的(可辅助采用与系统频率的锁相技术)。

  2)谐波的不确定性:快速变化谐波的特殊处理(辅助以统计学方法与计算)。

  3)谐波不稳定:在提及由三相不平衡或故障引起的基频整数倍的周期分量时,用到了“Abnormalharmonics(非正常谐波)”一词。确实,现实情况在满足数学的严格定义和条件方面存在困难。

  于是,在电力谐波标准中也用到了准稳态谐波和快速变化谐波的定义。严格讲,这与谐波的数学定义是不相符的。

  这些过程现象和工程问题的存在是事实,但并不表示其物理概念和数学定义可以不遵守和随意发挥了。应当讲清楚他们的关联性和差异性。并通过采用数理统计学的方法、引进新的数学方法等进行数据处理(例如标准规定给出的95%概率值等),或者使用相关专业名词给出新的术语定义和约束条件。间谐波的出现就是其中的典型问题。

  谐波与间谐波的物理特征与差异

  间谐波(inter-harmonics)定义:存在于电压和/或电流电气量中的非基波分量,其频率与系统基波频率不存在固定的比例关系(为非整数倍)。频域分布可能为离散的或宽带连续频谱。值得注意,现如今,间谐波更多出现了时变随机性变化特征,其频率范围宽,频谱甚至可能为连续频谱。

  间谐波现象:在工程技术中,为处理非无穷长时间周期函数的分解,引入了和基波频率之比出现的非整数倍的电压电流概念,定义该频率分量为分数次谐波、间谐波等。于是就有了“凡是正弦波形畸变的结果都叫做谐波,间谐波是一种特殊谐波”的说法。关于谐波的定义和认识正在被广义化。我认为,这混淆了谐波物理本质特征,误导走向错误解释,不利于解决工程实际问题。

  含有规则间谐波的畸变波形(为离散频谱)

含有丰富间谐波的畸变波形(可能为连续频谱)

实际上,正弦波形发生畸变无时无处不在(低压系统中THDv<0.1%很少见到)。

  谐波和间谐波的共性表现为,都是非基波频率分量。但在物理特征上有许多明显的差异。

  1)谐波是由基波电源转换而来。从能量流的物理机制可知,“交流电力系统的基波能量是谐波能量的唯一来源”是基波电压经非线性系统转换的结果,它源于基波能量传递过程。因此,谐波始终是与基波“同步”发生的,其频率始终保持与基波频率之比为整数。或者说,谐波的频率量是随着基波频率的变化而变化。例如,对于 50Hz系统,当基波频率变化到49.98Hz,3次谐波频率必然是49.98×3=149.94Hz。但此时,149.94Hz不是间谐波。

  2)由于间谐波与基波频率不存在同步关系,其频率分布可能是位于两个谐波频率之间的离散频率分量,也可能是连续频谱。由此,凡非整数倍基频的频率成分都是间谐波分量。甚至,间谐波会出现随机时变频率变化,与基波没有必然连带关系。

  3)间谐波与基波的叠加结果使波形的峰值无规则变化,缺失周期性特点,因而间谐波频率具有不可预知性。这给间谐波测量带来困难。

  4)间谐波频率的随机时变特性使问题更加复杂,分析更加困难。

  间谐波叠加后波形周期的不确定性问题

  电力系统以标称频率为基准,以基波为主导电能。因此习惯性提出间谐波频率与基波频率之比定义其次数。实际上,给出间谐波的频率和幅值大小即可。而当以基频为界划分范围观察影响时,可能还会用到间谐波次数h。

  谐波测量中采用锁相技术和时域加窗插值技术,就是为了跟踪系统基波频率的变化,以满足在变动基波周期内总的采样数不变约束条件。而间谐波测量则不同。

  目前有许多种谐波和间谐波测量改进方法,加长周DFS、窗长修正DFF等,目的都是为了在有限频率分辨率下提高检测精度。标准规定的,间谐波群,间谐波中心子群

  “间谐波”的分类与专用技术名词

  面对出现的新问题,在使用词汇上也有认识过程。典型例:为了有别于谐波,创造了“谐间波”名词(至今,GB/T17626.13-2006“电磁兼容-抗扰度试验与测量技术”中还在使用)。另外如同英文造词常采用在主体词加前缀的方式,如Inter-harmonics,sub-harmonics,在电能质量术语国标中统一使用了“间谐波,次谐波”等。

  IEEEStd.14592010标准特别强调:

  电气量中存在一簇特殊的间谐波分量,其周期大于基波周期(Ti>To或者其频率比h<1)的分量,称之为“次谐波”。主要表现在引起电压波动与闪变,激励谐振放大,激发发电机轴系模态共振等,是间谐波研究的重要方面。

  为突出其次同步特性,建议使用次同步频率分量(subsynounouscomponents)”,或者次同步间谐波(subsynonousinterharmonics)”。

  (次同步频率分量与基波频率之间为非同步关系,在分类上即属“间谐波”范畴,推荐用词的前缀即表现了非同步,又表现其频率低于基频的物理特征,如此称谓更科学。)

与非正弦波形和无功功率相关的新术语

  IEEE1459(正弦和非正弦、平衡和非平衡)中有关非正弦波形功率定义下为了准确描述和区别对待不同体制下的各种现象,不得已使用了一些大概念用词:

  fundamental(50/60Hz)activepower——50/60Hz系统有功功率(相对有50/60Hz系统无功功率)

  nonfundamentalactivepower——非基波有功功率(其它频率分量的同样波形、同频率、同相位的电压和电流之乘积)

  Nonfundamentalpowers——非基波功率(不含基波,h包含非整数次)

  nonactivepower——非有功功率reactivepower——特别为主导成分保留用词,专指基波无功功率(基波有功功率)

  鉴于以上分析,为了防止概念混淆,我不赞成在学术用词中有“波形畸变就是谐波”的所谓广义谐波的说法。

  电力系统中常见的间谐波发生源间谐波源(谐振电路、快速波动负载、静止变频调速装置、周波变换器等;尤其是VSC型新能源并网变换器,异步联网HVDCD)在电网中广泛存在,随着新一代电网的发展,各类新能源的接入方式不同,其激发源越来越复杂,间谐波含量不断增大,间谐波频率会随着条件变化而改变,其频率分量越来越丰富,带来的问题越多。间谐波的产生有两个基本来源:一是,工频电力系统遭遇“外来”客观扰动,即系统中存在着间谐波频率发生源。(例如,英国曾实施向电网注入25Hz、75Hz等非基波整数倍频率电流,用于测取电力系统谐波阻抗)二是,主动调制(包括调幅、调频、调相)和主动控制(电力电子变流器)的结果,实际效果是基波能量和外加能量综合作用的结果。(这区别于谐波是基波经非线性系统转换后被动产生的)

  电力系统中常见的间谐波发生源

  电弧类负载

  电弧的伏安特性高度非线性,且功率急剧波动。这类负载有不同的频谱特性。图为电弧炉频谱示例。从图中可以看出,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。

  对间谐波的限制指标源于闪变指标

电压波动的调幅波分解与谐波叠加分析

  根据调幅波的数学表达式描绘其波形,并与叠加波形作对比,如下图所示:

  调幅不同于波形叠加,基本不改变工频载波正弦形态,只是其幅值(包络线)随调制波幅值变化而变化,特点是载波的空间特性改变而时间特性不变。

  因调幅波含有的频率分量有限,调幅与叠加是可以转换的,调制10Hz正弦波,它将含有40Hz、60Hz间谐波分量。

  而多个谐波源共同作用于线性系统,为与基频关联的各谐波频率分量求和的共存形式,并不产生新的频率分量。

  三种调制波(调幅、调频和调相)的波形对比

三种调制波引起波形畸变及间谐波的分解结果

  目前分析风机间谐波问题普遍采用阻抗法

  基于阻抗法的DFIG等效阻抗计算方法

  基于阻抗法的DFIG等效阻抗计算结果





  作者专栏肖湘宁,华北电力大学教授,博导。曾任电气学院常务副院长,现任新能源电网研究所所长;新能源电力系统国家重点实验室“电力变换与电能质量保障”研究团队领军人。

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