谐波流入和流出: 使用相角分析确定谐波电流的方向
01 为什么谐波方向很重要
测量网络上某一点的谐波电压和电流畸变幅度可以告诉您谐波情况有多严重. 它不会告诉您谐波来自哪里. 在真实的分销网络中, 同一母线上多个负载和多个谐波源共存. 当发现谐波合规问题时, 第一个工程问题是: 该装置是否会产生流入网络的谐波, 或者它是否接收从网络流入的谐波? 答案决定了谁负责缓解.
这种区别——谐波流入与谐波流入. 流出——是日本配电网指南中谐波责任分配的基础，并且随着谐波限制的收紧和多个非线性负载共享公共母线，在其他监管框架中越来越重要. 确定方向需要的不仅仅是 THD 测量，还需要分析测量点处谐波电压和谐波电流之间的相位关系.[1]
02 判断流入流出的两种方法
方法 1 — 谐波电源极性
第一种方法使用谐波有功功率的符号 (PĤ) 在每个谐波阶次. 谐波功率是谐波电压的乘积, 谐波电流, 以及它们之间的相位角的余弦. 正谐波功率表明装置正在消耗谐波流入. 负谐波功率表明它正在产生谐波 — 流出.[1]
这种方法理论上是干净的，但有实际限制: 谐波功率水平随着谐波次数的增加而迅速下降. 11 次谐波功率通常是 5 次谐波功率的一小部分. 在更高的订单, 谐波功率信号接近测量仪器的本底噪声, 使极性确定不可靠. 该方法对于主要的低次谐波效果很好 (3路, 5日, 7日) 但到了11号就变得不可靠了, 13日, 及以上.[1]
方法 2 — 谐波电压电流相位差 (我)
第二种方法使用每个谐波次数的谐波电压和谐波电流之间的相位角差——表示为 θ. 这是一种更稳健的方法，因为它基于相位角测量而不是功率幅度, 即使谐波幅度很小，也能准确确定相位角.[1]
对于使用 2 米测量方法的三相 3 线安装 (3P3W2M), 推荐的度量是总相位角 θ和 — 根据两个测量通道的测量量之和计算出的谐波电压-电流相位差. 对于三相系统，这种求和方法提供了比单相测量更稳定、更有代表性的值.
03 测量设置
| 范围 | 价值 / 配置 |
|---|---|
| 电路类型 | 3-三相三线制 (3P3W2M — 2 米法) |
| 电压等级 | 6.6 kV配电电路 |
| 测量仪器 | HIOKI 电能质量分析仪，带 PQA HiVIEW Pro 软件 (模型 9624-50) |
| 按键显示 | 谐波电压-电流相位差时间图 — θ平均 图形 |
| 谐波监测 | 根本 (1ST), 3路, 5日, 7日 |
3P3W2M 配置使用两个电流传感器和两个电压测量来全面表征三相 3 线系统. “ “和” 相位角方法是这种配置特有的——它将两个通道的测量结果结合起来产生一个 θ和 代表整体三相谐波流向的每个谐波次数的值.[1]
04 分析实例: 四次谐波, 四种不同的行为
以下示例取自对 6.6 千伏电路. 时间图显示谐波电压-电流相位差 (我和) 每个谐波次数随着时间的推移. 流入/流出边界为±90°.[1]
根本 (1圣谐波) 和 5 次谐波 — 流入
无花果. 1. θ 的时间图和 对于基本的 (棕色) 和五次谐波 (绿色). 在整个测量期间两者都保持在−90°至+90°流入区域内, 确认安装消耗基波功率和五次谐波. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
基本波正在流入——这是预期的, 因为安装正在消耗网络的实际功率. 第五次谐波也主要流入, 表明主要的五次谐波源位于网络的其他位置，并且该装置正在接收它. 该装置是五次谐波污染的受害者, 不是它的来源.
3rd 谐波 — 流出
无花果. 2. θ 的时间图和 对于 3 次谐波 (红色). 相位角始终落在 ±90° 流入区域之外, 在 −180° 至 −90° 或 +90° 至 +180° 范围内 — 确认三次谐波流出. 该装置产生流入网络的三次谐波电流. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
三次谐波流出 — 该装置是三次谐波源. 请注意，三次谐波是单相非线性负载的特征 (开关电源, 荧光灯照明) 而不是三相 6 脉冲驱动器. 它作为流出谐波存在 6.6 kV 电路建议在从此电路馈电的配电变压器的次级侧采用单相负载.
7次谐波 — 流出
无花果. 3. θ 的时间图和 对于 7 次谐波 (蓝色). 流出确认 — 相位角保持在 ±90° 流入区域之外. 180° 环绕在迹线中可见为垂直过渡. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
7次谐波也流出. 连同3次谐波流出, 这表明该装置包含大量非线性负载，产生谐波电流进入 6.6 千伏网络. 之前观察到的 5 次谐波流入表明该总线上的 5 次谐波来自其他地方 - 本地安装自身的 5 次谐波生成被外部 5 次谐波源掩盖或主导.
判断示例 1 和 2 — 应用 θ平均 展示
无花果. 4. 判断示例 1 - 我平均 HIOKI PQA HiVIEW Pro 中的谐波时间图. 平均相位角显示为流入/流出确定提供了比原始 θ 更清晰的基础和 逐点值. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
无花果. 5. 判断示例 2 - 我平均 谐波时间图. 第二个场景演示了使用平均相位角显示的流入/流出判断方法的应用. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
无花果. 6. HIOKI PQA HiVIEW Pro 谐波分析显示 — 按谐波次数以表格形式显示谐波电压-电流相位差结果. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
无花果. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro 汇总显示所有监控谐波次数的谐波流入/流出判定结果. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
无花果. 8. HIOKI PQA HiVIEW Pro 谐波时间图，带有流入/流出区域指示器 — 标记了 ±90° 边界, 能够从 θ 直接目视确定谐波方向平均 痕迹. 源: HIOKI E.E. 公司.[1]
05 日本监管框架: 谐波流出电流限制
日本是配电层面谐波责任分配最发达的国家框架之一. 经济产业省9月发布谐波抑制对策指南 1994 - 建立专门适用于接收高压或超高压电源的需求方客户的谐波流出电流的限制.[2]
电压畸变限制
- 6.6 千伏系统: 总谐波电压畸变率≤ 5%
- 特高压系统: 总谐波电压畸变率≤ 3%
谐波流出电流限制
日本指南以每千瓦合同电力的毫安表示谐波电流限制，这种标准化使限制与客户规模无关，并与客户的电力合同成正比. 上限值按谐波次数指定, 高次谐波的下限. 每千瓦归一化意味着较大的客户按比例拥有更多的谐波电流容差，但也必须独立遵守每个谐波阶次.[2]
这种基于方向的监管框架（限制流出而不是总谐波电流）是与 IEEE 519 公共点耦合方法的主要区别. IEEE 519 限制客户在 PCC 注入的谐波电流, 这实际上是一个流出限制. 日本指南明确了流出概念，并将其应用于每千瓦归一化的单个谐波次数级别. 本文描述的测量方法——θ和 相位角分析——是使这种基于流出的调节可审计的工具.
06 PQ视角: 方向作为诊断工具
6.1 当方向分析改变诊断时
谐波方向分析最重要的含义是，客户服务入口处的高 THD 测量并不自动意味着客户对此负责. 如果谐波电流流入（来自网络），那么客户就是受害者，而源头位于馈线的其他地方. 在这种情况下要求客户安装谐波滤波器不仅浪费金钱，而且根本无法改善网络谐波状况.
反过来, 如果客户的合同功率较大，则其服务入口处的 THD 水平适中，但其仍可能是重要的谐波流出源 — 即使绝对 THD 似乎可以接受，也可能会超出日本的每千瓦限制. 每个谐波阶次的方向分析是正确表征责任的唯一方法.
6.2 谐波研究中的实际应用
使用此方法的实用谐波调查序列:
- 测量感兴趣点的谐波电压和电流 - 确认谐波幅度足以证明方向分析的合理性
- 应用 θ和 每个感兴趣的谐波阶次的标准
- 识别哪些谐波次数流入 (网络来源) 哪些是流出 (本地来源)
- 对于流出谐波: 确定负责的局部非线性负载并评估缓解方案
- 对于流入谐波: 调查网络中的责任来源——同一支线上的其他客户, 网络共振条件, 公用设备
6.3 与 IPQDF 文章系列的联系
本系列的技术文章 (第 1-3 条) 建立了 6 脉冲驱动器的谐波特征及其与网络组件的相互作用. 案例研究展示了当谐波未得到缓解时会发生什么. 该技术参考完成了图片的不同尺寸: 确定给定装置是谐波源还是谐波接收器所需的测量方法——分配责任和选择正确缓解策略的先决条件.
我和 这里描述的相位角方法在其实施中是特定于仪器的 (本例中的 HIOKI PQA HiVIEW Pro) 但基本原理——谐波电流方向由谐波电压和谐波电流之间的相位关系决定——是通用的. 任何报告谐波相位角的电能质量分析仪都可以支持此分析, 对该仪器使用的测量惯例进行适当的解释.
参考文献
- [1] HIOKI E.E. 公司, “流入和流出的谐波,” 在 电能质量测量指南, HIOKI E.E. 公司, 长野, 日本. 可用的: 日置网
- [2] 经济部, 工贸 (放), 日本, “高压及特高压需侧谐波抑制对策指南,” 官方报告, 九月 30, 1994.