光伏逆变器的次谐波发射——新兴的电能质量挑战
| 现象 | 超谐波 (SH) 并网光伏逆变器在 2–150 kHz 范围内的排放 |
| 源 | 使用 SiC 和 GaN 半导体开关的现代高频光伏逆变器中的 PWM 开关 |
| 观察到的排放类型 | 窄带 (在开关频率和倍数) · 宽带 · 时变 |
| 关键悖论 | 新型宽带隙半导体减少经典谐波 (<2 千赫) 但增加了超谐波 (>2 千赫) |
| 监管状况 | 目前 2-150 kHz 范围没有具体的发射限制——标准差距 |
| 测量标准 | 符合IEC 61000-4-7 和IEC 61000-4-30 — 两者都不足以描述 SH 特性; 正在修订中 |
| 互调风险 | 光伏逆变器 + 电动汽车充电器开关频率相互作用，产生新的频率分量，而这些分量单独存在于任何一个设备中 |
| 已知影响 | 电缆发热·LED灯干扰·电容老化·PLC通讯故障·控制电路故障 |
01 背景——电能质量的新领域
电能质量工程师花了数十年的时间来表征和减轻高达范围内的谐波 2 kHz — 五度, 第七, 第十一, 作为六脉冲整流器特征的十三次谐波, 电弧炉, 和饱和变压器. 测量方法已完善, 标准很全面, 并且缓解技术已经成熟. 多于 2 千赫, 但, 景观发生根本性变化.
超谐波 — 中的电气干扰 2 kHz至 150 kHz 范围 — 并不是一个新现象, 但他们正在快速成长. 并网电力电子装置的激增: 光伏逆变器, 电动车充电器, 电池存储系统, LED驱动器, 和使用现代宽带隙半导体开关的变速驱动器, 正在用现有电能质量测量框架无法捕获且当前监管标准没有限制的发射来填充超谐波频率范围.[1]
本案例研究介绍了 Pinto 的研究结果, 格雷塞尔, 和巴普蒂斯塔 (2024) 特拉斯奥斯蒙特斯大学 (葡萄牙) 和维也纳科技大学 (奥地利), 分析不同渗透场景下电网中多个光伏逆变器的高次谐波发射. 该研究提供了关于排放特征的最清晰的已发表报告之一, 传播机制, 以及光伏发电产生的高次谐波对低电压的干扰潜力- 和中压网络.
上一代电力电子设备使用二极管和晶闸管——仅限于工频换向的无源开关器件. 它们在 0-2 kHz 范围内产生大量谐波失真. 现代逆变器使用碳化硅 (碳化硅) 和氮化镓 (氮化镓) 开关工作频率为 20–100 kHz 或更高. 这些器件极大地减少了低频谐波失真，但高开关频率将发射频谱向上移动到超谐波范围, 测量更加困难且监管限制尚不存在的地方.[1]
02 什么是超谐波?
超谐波是电力系统电压或电流波形中存在的频率分量，范围为 2 kHz至 150 千赫. 它们与经典和声不同 (的整数倍 50/60 赫兹基波, 通常可处理最多 40 次谐波 — 2 千赫兹在 50 赫兹) 以及上面的射频电磁干扰 150 千赫, CISPR 标准解决了这一问题.[1]
超谐波范围位于两个调节良好的域之间，并穿过它们之间的间隙. 电能质量标准框架 (符合IEC 61000 系列, IEEE 519) 也没有电磁兼容性框架 (符合CISPR) 通过并网电力电子设备的特定排放限值充分覆盖了该范围.[1]
超谐波范围内的发射类型
该研究确定了光伏逆变器的三种不同排放类型, 每个都有不同的特性和传播行为:[1]
- 窄带发射 ——集中于逆变器的开关频率及其整数倍. 对于光伏逆变器开关 20 千赫, 窄带发射出现在 20 千赫, 40 千赫, 60 千赫, 等. 这些是确定性的并且与 PWM 调制频率直接相关
- 宽带发射 - 分布在很宽的频率范围内, 通常由开关瞬态以及半导体开关的有限上升和下降时间引起. 切换速度越快 (与 SiC 和 GaN 器件一样), 瞬态的高频内容越宽
- 随时间变化的排放 - 随太阳辐照度变化, load, 和逆变器的工作点. 在低功率水平或云瞬态期间, 最大功率点跟踪 (最大功率点跟踪) 算法改变切换模式, 动态改变发射光谱
03 信号源和互调问题
PWM 开关 — 主要生成机制
光伏逆变器的超谐波发射源自脉冲宽度调制 (PWM) 将光伏电池板的直流输出转换为电网频率交流输出的开关过程. 每个开关事件（打开或关闭半导体开关）都会产生电流瞬变，其频率含量远远高于基本开关频率. 切换过渡越快 (特征为 dI/dt 和 dV/dt), 频率含量越高，发射光谱越宽.[1]
在 PCC 上测量超谐波发射时, 该仪器始终测量一次排放的总和 (从被测设备) 和二次排放 (来自网络上其他设备流经测量点的高次谐波电流). 这种区别对于正确分配责任至关重要，这也是超谐波源归因比经典谐波源识别复杂得多的原因之一. 设备之间的阻抗网络决定了每个设备的一次发射有多少出现在每个其他测量点.[1]
互调——两个设备交互时
当前超谐波研究最重要的发现之一是互调现象. 当具有不同开关频率的两个电力电子设备连接到同一网络时——例如, 光伏逆变器开关在 20 kHz 和电动汽车充电器开关 32 kHz — 它们的超谐波发射通过网络阻抗相互作用，在和频和差频处产生新的频率分量 (52 千赫, 12 千赫, 72 千赫, 等等) 不是由任一设备单独发出的.[1]
随着高开关频率设备密度的增加，这种现象（在电信领域被称为互调失真）现在正在配电网络中观察到. 这意味着网络中任何点的超谐波环境不仅仅是单个设备发射的叠加——它是一次发射的复杂组合, 二次排放, 以及其成分随连接设备数量而变化的互调产品.
互调问题意味着具有多个光伏逆变器和电动汽车充电器的配电馈线的超谐波发射无法通过对各个设备发射测量值求和来预测. 网络阻抗, 设备的空间分布, 以及它们的开关频率之间的关系都很重要. 与用于经典谐波的谐波求和方法相比，这需要一种根本不同的超谐波评估方法.
04 对设备和网络的影响
超谐波发射会对电力系统组件和连接设备造成一系列影响, 其中一些类似于经典谐波效应，其中一些特定于较高频率范围:[1]
- 电缆加热——集肤效应: 高频时, 电流集中在导体表面 (集肤效应), 减小有效截面，增加有效阻力. 承载显着次谐波电流的电缆运行温度比其工频负载单独预测的温度要高. 在存在大量次谐波含量的情况下，基于工频电流额定值的热计算是不保守的
- 电容器老化: 电容器在高频下呈现低阻抗, 绘制与频率成比例的超谐波电流. 超谐波频率下的介电损耗可显着超过工频下的损耗, 加速绝缘老化，缩短使用寿命. 照明设备中的铝电解电容器特别容易受到损害
- LED灯干扰: LED 驱动器对电源电压的高频干扰很敏感. 超谐波失真会导致 LED 光输出发生明显变化，这是一种不同于 IEC 解决的 8-10 Hz 电压波动闪烁的闪烁机制 61000-4-15, 并且不会被标准闪烁计捕获
- 电力线通信 (PLC的) 干涉: 智能计量系统, SCADA通讯, 需求响应信号通常使用超谐波范围内的电力线载波频率 (通常为 9–150 kHz). 光伏逆变器和电动汽车充电器的高次谐波发射可能会淹没这些信号, 导致智能电网基础设施通信故障
- 控制电路故障: 高频发射可以通过电磁感应或传导路径耦合到控制和保护电路中, 造成继电器误动作, 测量误差, 或通讯故障
- 可听见的噪音: 范围内的超谐波频率 20 Hz–20 kHz 处于人类听觉范围内，可能会导致变压器产生可听噪声, 电缆, 及其他磁性元件
智能计量和需求响应系统是现代电网管理和负载控制的基础，依赖于超谐波发射最集中的频率范围内的电力线载波通信. 配备光伏逆变器和电动汽车充电器以减少碳排放的配电馈线可能会同时降低管理这些设备的通信基础设施的性能. 这不是一个假设的问题——网络运营商已经报告了光伏渗透率高的地区出现 PLC 通信故障的情况.
05 测量——标准差距
次谐波的测量需要以上的采样率 300 千赫 (根据奈奎斯特准则, 捕获信号内容高达 150 千赫) — 明显高于经典谐波测量仪器, 通常以 12–16 kHz 采样, 旨在提供. 这意味着大多数现有的电能质量监测仪——甚至是符合 IEC 的 A 类仪器 61000-4-30 — 不捕获超谐波范围.[1]
当前的测量标准及其局限性
- 符合IEC 61000-4-7: 使用指定谐波和间谐波测量 200 Hz 频段高达 2 千赫. 不涉及超谐波范围
- 符合IEC 61000-4-30: 指定 PQ 测量方法，包括使用非连续分组方法 2 kHz 以上频率的频段 2 千赫. 这仅提供 8% 信号覆盖范围—— 92% 未捕获超谐波信号. “ 2 kHz 频段分组还会失去频率分辨率，而频率分辨率对于识别单个设备开关频率至关重要. IEC SC 77A WG9 目前正在对该标准进行修订，专门解决这些缺陷[1]
- 符合CISPR 16: 以上使用的电磁干扰测量标准 9 千赫. 专为设备的传导和辐射 EMI 而设计, 不适用于电力系统PQ监测. 使用准峰值和平均值检测器，而不是适合 PQ 评估的 RMS 测量
使用完全符合 IEC 标准的 A 类仪器进行 PQ 调查 61000-4-30 将报告从直流到的电压和电流参数 2 kHz 高精度. 多于 2 千赫, 同一仪器提供了碎片, 丢失大部分超谐波信号能量的低分辨率数据. 调查报告在技术上是正确的，并且完全无法描述超谐波环境的特征. 这并不是仪器或测量实践的缺陷——而是标准本身的缺陷, IEC 正在积极努力填补这一空白.
06 研究的主要发现
平托的研究, 格雷塞尔, Baptista 分析了多种网络场景下光伏系统的真实超谐波信号, 检查排放的传播以及不同光伏逆变器模型和渗透水平之间的相关性. 主要发现是:[1]
- 每个光伏逆变器型号都有独特的排放特征 — 开关频率及其谐波在超谐波频谱中显示为特征窄带峰值, 允许根据排放模式识别各个逆变器型号. 开关频率下的恒定窄带发射 (例如, 20 千赫) 是最可靠的标识符
- 宽带发射随操作条件而变化 — 部分负载时 (太阳辐照度低), MPPT 算法改变了开关模式, 宽带发射曲线也会相应变化. 这种随时间变化的特性使得单一操作条件下的表征具有误导性
- 互调产物是可测量的 — 当同一网络上存在多个具有不同开关频率的光伏逆变器时, 和频和差频的互调产物是可检测的, 确认超谐波环境不仅仅是各个发射的总和
- 传播取决于网络阻抗 — 超谐波发射根据阻抗分布通过网络传播. 容性负载 (包括功率因数校正电容器) 在超谐波频率下呈现低阻抗并吸收显着的超谐波电流, 可能会扩大当地的排放水平
- 当前的监管框架没有充分解决这些发现 — 研究得出结论，迫切需要针对 2-150 kHz 范围制定具体规定, 涵盖排放限值和测量方法
光伏逆变器开关频率下的窄带发射是最可靠的现场识别标记. 如果电能质量分析仪具有足够的带宽 (300 kHz+采样率) 可用, 扫描 10–100 kHz 范围内的窄带峰值将揭示所连接的逆变器和充电器的开关频率. 互调产物（在和频和差频）表现为额外的窄带峰值，当任何设备的开关频率发生变化时，这些峰值就会发生变化, 这将它们与一次排放区分开来.
07 电能质量视角
超谐波代表了电能质量工程的下一个前沿——在测量和限制超谐波的工具仍在开发的同时，这种现象的重要性正在日益增强. 与 20 世纪 80 年代和 90 年代初的古典和声有着惊人的相似之处: 一类新的非线性负载 (然后, VFD 和 UPS 系统; 现在, 光伏逆变器和电动汽车充电器) 正在引入现有衡量和监管框架无法应对的干扰, 工程界正在竞相在问题变得无法控制之前确定其特征.
从效用分配的角度来看, 最直接的后果是对电力线载波通信的威胁. 智能计量, 需求响应, 依赖于 9-150 kHz 范围内的 PLC 频率的电网控制系统直接容易受到超谐波发射集中的相同频率范围的影响. 随着低压配电馈线的光伏渗透率和电动汽车充电器密度的增加, PLC 通信的信噪比将会降低——可能会破坏旨在管理能源转型的智能电网基础设施.
在高达 40 阶的谐波测量上进行实践的电能质量工程师需要意识到，PQ 问题空间现在已扩展到以上 2 kHz — 并且仪器, 标准, 该范围的缓解工具仍在成熟. 不解决高次谐波问题的 PQ 评估并没有错——对于任何拥有大量光伏发电或电动汽车充电的站点而言，它只是不完整的. 问题不在于超谐波是否重要, 但是当测量工具和监管框架能够赶上网络上已经存在的物理现实时. 基于 IEC SC 77A WG9 标准开发进度, 未来 3-5 年内可能会出现融合. 现在熟悉超谐波范围的工程师将在它成为每次 PQ 调查的强制性部分时处于有利地位.
参考文献
- 平托·J, 格拉塞尔B, 巴普蒂斯塔·J. “电网高次谐波发射分析: 光伏逆变器案例研究。” 电子, 飞行. 13, 不. 24, p. 4880, 2024. DOI: 10.3390/电子产品13244880. CC BY 下的开放获取 4.0.
- 符合IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. 电磁兼容性 (EMC公司) - 部分 4-7: 测试和测量技术 - 谐波和间谐波测量和仪器通用指南. 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 电磁兼容性 (EMC公司) - 部分 4-30: 测试和测量技术 电能质量测量方法. 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61000-2-2:2002. 电磁兼容性 (EMC公司) - 部分 2-2: 环境 - 公共低压供电系统中低频传导骚扰和信号的兼容性级别. 符合IEC, 日内瓦.
- 伦伯格 SK, MHJ球. “未来电力系统中的电能质量问题。” 电力杂志, 飞行. 29, 不. 10, PP. 49-61, 2016.
平托·J, 格拉塞尔B, 巴普蒂斯塔·J. “电网高次谐波发射分析: 光伏逆变器案例研究。” 电子, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/电子产品13244880 · 阅读 MDPI 上的原始文章 →
在 CC BY 下发布开放获取 4.0. 本案例研究以总结和评论的形式呈现. PQ 视角部分 (部分 7) 是 Denis Ruest 的 IPQDF 原创编辑评论, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.