超級諧波研究綜述*

劉森，黃畢堯，王聰，李建岐

（1.中國礦業大學，北京100083；2.全球能源互聯網研究院，北京102209）

0 引 言

近些年大量的電力電子設備投入到電力的發、輸、配等各個環節，家用設備中電力電子產品數量和種類更是不勝枚舉［1-3］。隨著國家對新能源汽車的補貼不斷加大，充電樁接入配電網數量逐漸增大，它們都要經過電力電子電路從公用電網取電，同時多種分布式發電和儲能裝置接入公共電網中，將給配電網帶來新的電能質量問題［2，4］。

電能質量的研究包括電能質量指標、電能質量擾動分析、電能質量監測與評估、電能質量問題治理等方面［5-6］，近幾年研究者更多關注分布式電源接入電網的電能質量分析［7］。諧波作為電能質量領域的重要部分，2 kHz以下的諧波的產生、抑制、影響已經有了比較清晰的認識［8］，但是對于系統電壓或電流中2 kHz以上頻率分量的研究相對較少。外國學者Anders Larsson及其團隊成員對2 kHz以上頻率電壓或電流分量的研究取得了一些成果，主要在它的產生、傳播、測量、以及潛在的危害等方面。面向未來的分布式配電網中高頻失真會對電力系統帶來危害，2 kHz～150 kHz頻段內相關標準還有待完善［9-10］。

電流或電壓中頻率為2 kHz～150 kHz的分量也被叫做超級諧波＂Supraharmonics＂，它第一次被提及是在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）電力能源學會（Power＆Energy Society）2013年學術年會上［11］，它特指電路中2 kHz～150 kHz的傳導干擾，在之后的文獻中基本采用了這個名稱［12-13］。

文章主要概述超級諧波的來源、特征、影響以及超級諧波的標準化工作，并用簡單的仿真驗證了電力電子變換器與超級諧波緊密的聯系，總結了超級諧波在電力負荷監測領域的應用，最后給出結論和建議。

1 超級諧波的來源

1.1 用電設備產生超級諧波分析

超級諧波被廣泛認為是電力電子變換器開關頻率帶來的產物，電力電子器件在開關過程中會伴隨較高的 d v／d t和 d i／d t，對于大功率設備，它們的開關頻率可以低至1 kHz以下，但是很多設備中變換器的開關頻率范圍在2 kHz～150 kHz之間。雖然目前還沒有對各種設備中變換器的開關頻率的概述，但是生活中變頻空調、熒光燈、微波爐等用電器中的變換器工作在40 kHz～50 kHz的功耗設備是很常見的。在Matlab／Simulink中PWM逆變器設置開關頻率為10 kHz，仿真后在10 kHz處可見較大的諧波分量，如圖1電流頻譜所示。

圖1 PWM逆變器電流頻譜Fig.1 Current spectrum of PWM inverter

文獻［14-16］分別探究了以雙向可控硅為主控器件的調光器、新型充電樁、分布式電源并網的高頻諧波，因為電力電子變換器存在非線性器件以及PWM控制策略等原因，往往在導通和關斷瞬間產生不可避免的干擾，甚至存在影響其它設備工作的可能性。文獻［17-21］對計算機、LED、太陽能發電等裝置產生的諧波在實驗環境或者現場做了相關測試，并發現以大型寫字樓、商業辦公樓為代表的建筑內，某些頻段電流高頻分量含量非常大。眾所周知，單個設備運行時，它們發射出來的高頻諧波含量較少；當大量多類型設備投入運行時，諧波的疊加并非簡單的線性相加或相減，諧波累加是矢量和，累計效應可能是相互助漲，也可能相互削弱，因此，Anders Larsson博士對48盞日光燈在只開1盞、2盞……48盞的情況下發射的超級諧波進行了具體多次測量分析并指出：在27.4 kHz～29.2 kHz頻段，隨著日光燈數量增多，高頻諧波電流減少，但是在2或者3盞燈同時工作時超級諧波發射量最大，然后，隨著日光燈數量增加，超級諧波逐漸變小，15盞后超級諧波基本保持不變［21］。但是在大型寫字樓、商業辦公樓等場合，具有負荷多樣性，工作狀態復雜性等特點，超級諧波在何種情況下發射量最大，如何配置用電器使超級諧波發射量小等研究還不夠明確。

此外，設備自身的檢測和控制一直受周圍電磁環境影響，就難以保證其輸出、控制中就會伴隨高次諧波。

1.2 電力線載波產生超級諧波

目前，智能電網建設過程中部署和應用了愈來愈多的智能電能表，在中國、歐洲等智能電能表采用的通信技術主要是電力線載波通信（PLC，Power Line Communication），其中歐洲電力線載波通信在標準EN 50065-1中規定：在低壓網絡中，電力線載波通信頻率范圍為3 kHz到148.5 kHz。主要指標規定如表1和表2所示。

表1 歐洲PLC子帶規定Tab.1 PLC subband in Europe

表2 歐洲PLC子帶發射限值Tab.2 PLC subband emission limits in Europe

最新修訂的低壓窄帶電力線通信國家標準第一部分（GB／T 31983.11-2015）也有部分關于超級諧波頻段的輸出信號電平限值。雖然低壓電力線窄帶載波通信載波信號頻率范圍應為3 kHz～500 kHz，但國標中仍然建議優先選擇IEC 61000-3-8規定的電力部門專用頻帶9 kHz～95 kHz。其中低壓電力線窄帶載波通信的輸出信號電平限值如表3所示。

表3 輸出信號電平限值Tab.3 Limits of output signal level

我國電力線通信標準與國際標準對輸出電平限值比較相近，都還在不斷推進中，標準中尚沒有對超級諧波相關問題進行規范。所以在超級諧波的范圍之內為實現精益化管理、標準化建設，相關標準化工作有待開展。設備自身的檢測和控制一直受周圍電磁環境影響，就難以保證其輸出、控制中就會伴隨高次諧波。

2 超級諧波新特征

超級諧波有別于諧波，主要體現在：超級諧波包含2 kHz～150 kHz頻段內的所有頻率的電量，與基波沒有直接關系；而國際電工委員會對諧波的定義是：諧波分量的傅里葉級數中大于1的n次分量，n是諧波頻率與基波頻率之比的整數。

研究證明，超級諧波與普通諧波傳輸、擴散不同，它的發射包含原生發射和次生發射兩種，原生發射表示非線性設備自身的諧波發射，次生發射表示背景諧波引起的設備諧波發射，超級諧波頻率范圍內的干擾電流主要在終端設備之間流動，只有很小一部分流向電網［18-19］。

量化電力設備連接處的諧波電流，研究清楚諧波的原生發射和次生發射是必要的。文獻［22］中電器的簡化模型已被引入來研究熒光燈、計算機等多臺設備同時工作的高頻發射量-一個電流源并聯一個電容器，通過該模型搭建含有熒光燈設備集群的仿真，對比相角、諧波數據看出結果更加精確預測現實中的高頻諧波，驗證了高頻諧波的排放與周圍設備有密切關系。影響原生發射的主要因素有：裝置的拓撲結構，連接點的阻抗，諧振。影響次生發射的主要因素有：鄰近裝置的發射強度，裝置連接點阻抗和網絡以及設施阻抗的關系。文獻［23］中發現從電網側的分析超級諧波，系統的阻抗非常低，所以大多數干擾的次生發射是不應該忽略的，在很多場合次生發射的頻率沖激不僅要考慮單個設備，更多的是考慮大量多種設備的工況，而且已經發現終端設備的連接不但對超級諧波電流的傳播有很大的影響，而且其原生發射電平的高低也被證實依賴于相鄰設備的存在。

3 超級諧波的影響

3.1 對設備的影響

3.1.1 增加諧振的可能性

文獻［24-25］依靠大量的測量與理論論證，針對實際運行的變換器情況分析了系統中高頻諧振現象發生的可能性，因為串聯諧振或者并聯諧振對變換器乃至部分系統都是毀滅性的。文獻［26］在實驗室環境下測試出電流高頻分量加快絕緣材料的降解，尤其是中壓設備的老化現象并猜測其原因可能是高頻震蕩的存在。文獻［27］基于瑞士日內瓦市內變壓器過早老化問題，從理論上還有實際數據分析了運行的電力系統中150 kHz以下的短暫干擾的存在是變壓器過早損壞的原因。

3.1.2 電容電流的驟升

普遍認為高頻電流、電壓分量在電網中傳播不遠，因為線路中存在很多比電網傳輸網絡低很多的阻抗通路，其中EMC并聯電容器是構成通路的主要成分。仿真結果表明［28］，高含量的超級諧波干擾對電解電容壽命非常不利，由式（1）易知，高頻電量使流經電容的電流升高。

式中IC指流經電容的電流分量；f指流經電容電流的頻率；C指電容值；UC指電容兩端的電壓分量。

據《中國電力》雜志不完全統計，1999年至2004年由于＂電網垃圾＂的影響導致電容器爆炸的事故共計1985起［29］。近些年雖然缺少干擾事件造成設備損壞的詳細統計，但是形勢更加令人堪憂，電容發熱更加顯著，升高的電流又增加了系統的功率損耗，危害更大的尖峰脈沖易使電容器介質局部放電，更加速電容器老化，而常用的鋁電解電容工作溫度升高7℃～10℃，電容的壽命就會降低一半［30］。文獻［12，31］研究表明在緊湊型熒光燈（CFL，Compact Fluorescent Lamp）基波供電中加入一定高頻成分時，會有電流升高的可能，這種節能燈的基本拓撲如圖2所示。

圖2 節能燈的基本拓撲Fig.2 Basic topology of energy-saving lamps

例如，在滿足諧波標準的前提下，在基波中加入某些頻率的電壓量，當混入一定量的1 kHz～5 kHz電壓成分時，節能燈的電流最大，且達到僅僅基波電壓供電電流的1.9倍；在熱效應方面，在正弦電壓基波上疊加3.5 kHz電壓分量，并使其滿足式（2），Vrms50指輸入端的基波電壓有效值，Vrms3500指輸入端的3.5 kHz電壓有效值。

在持續工作一個小時后，僅僅基波電壓供電的直流側電容溫度為52.8℃，整流二極管溫度為76.4℃；然而，加入3.5 kHz諧波電壓后供電的直流測電容溫度為57.2℃，整流二極管溫度為80.1℃。可見，超級諧波對設備中部分器件的溫度提高有顯著影響。

3.1.3 使設備工作失常

因為PLC信號在超級諧波的頻率范圍，文獻［31］在實驗室中搭建平臺，用不連續的突發高頻信號模擬PLC信號，驗證PLC信號能否影響實驗室環境中的兩個觸摸調光燈，通過觀察觸摸調光燈的亮度變化判斷是否受到PLC信號的影響，測量結果表明觸摸調光燈會被注入的突發信號影響，這意味著，有些設備將遭受干擾，即使他們遠離使用的電力線載波通信設備。文獻［32］基于PLC與終端設備之間的多種干擾實測數據，猜測9 kHz～95 kHz傳導干擾可能損壞連接到電網的設備。

總之，工況生活中大量存在的整流模塊、逆變器模塊、變頻器等，不斷向電網或者在其周圍小范圍內釋放大量的超級諧波，在低壓配電系統中會因周圍電力網絡的相互作用使高頻電流分量變得愈加復雜，諧振的多發，不正常的溫升等加快設備的老化。未來分布式電源、儲能、電動汽車等廣泛布置在配電網中，這些設備均采用電力電子變換器與電網連接，并具有源特征，其發展必然增加更多的超級諧波，需要提前開展相關標準制定。

3.2 對載波通信的影響

中國和歐洲許多國家等持續部署智能電能表，大量的這些電能表將利用電力線通信來傳輸電表讀數。電力線通信將只用于電能表和靠近配電變壓器的接收機之間這段距離來傳輸數據。電力線通信是有意注入電網用于通信的信號，所以電網中設備應具備對PLC信號的免疫水平，客戶設備的存在也應不妨礙通信成功。

然而目前配電網絡中存在著大量干擾信號，可能影響PLC的準確傳輸。由于有些末端設備并聯電容（整流器、逆變器等），很有可能給PLC信號提供低阻抗回路導致失真；載波設備發出的信號也可能損害配電網的設備，文獻［33］從低壓配電網絡、負荷、電力設備等方面總結了影響電力線載波通信質量的潛在原因；文獻［32，34］在實驗室環境中探究了不連續的突發高頻信號對兩種觸摸調光燈的影響情況，該實驗中可以很明顯觀察到兩種燈均由于這些信號受到干擾，甚至PLC裝置與調光燈的距離達到100 m，仍然可以觀察到影響。

所以PLC面臨挑戰的簡圖如圖3所示，除了供電網絡中阻抗的存在，實際上通信信號還必須應對存在于線路上其它設備發出的其他信號。研究表明，對通信信號最有害的影響是當某些設備連接到電路網絡時，提供給通信信號一個低阻抗路徑后出現的信號的分流［21］。

圖3 PLC面臨挑戰Fig.3 PLC challenges

4 超級諧波標準化相關工作

2 kHz～150 kHz通常被稱為一系列沒有任何標準的頻率范圍，但是，這并不是一個合理的描述，因為實際上有許多標準覆蓋該頻率范圍［35?。CENELEC是歐洲電工標準化委員會，負責在電工工程領域的標準化。目前，超級諧波發射的干擾情況已由CENELEC TC 210匯總，相關標準要覆蓋2 kHz以上頻段的重要性，不但在2010年出版的CENELEC報告中提到，而且在不久前出版的歐盟電能質量標準EN 50160中也有提及。文獻［15］概述了2 kHz～150 kHz頻率范圍的發射和抗干擾標準，并指出測量技術對標準化進程至關重要。在實際上窄帶限制標準已經應用到電力線的通訊限制，對現有窄帶限制標準的對比如圖4所示；對于寬帶信號限定標準的對比如圖5所示。

圖4 現有窄帶限制Fig.4 Limits for current narrowband signals

圖5 現有寬帶限制Fig.5 Limits for current broadband signals

從圖4和圖5可以看出，在2 kHz～150 kHz范圍，EN 50065，EN 50160，IEC 61000-3-8，CISPR 15這些標準尚沒有統一的標準，雖然在95 kHz以下，EN 50065和IEC 61000-3-8這兩種標準是相同的。

超級諧波的標準化工作已得到多個國際組織重視，其中包括：CENELEC／TC／8X、IEC／TC 210／WG1和IEC SC 77A／WG 9，尤其是負責歐洲電壓特性標準EN 50160的工作組，對于2 kHz～150 kHz頻帶超級諧波標準化的需求，也在應用導則中提及，超級諧波問題也包含在新近制定的 IEC TS 62749中［9，36］。覆蓋超過2 kHz頻段的相關標準也是IEC／TS 62749評估電能質量的一部分-公共連接點電能特性，已經在2014年實施。兼顧多種設備和設備間可能的諧振情況下，標準的制定必須在限定諧波源和允許設備表現出自身特性的前提下找到它們的邊緣界限。

超級諧波的研究不只限定在標準化方面，它的測量技術、對電能質量的新影響等問題也在許多重大工作組的研究內容之列：CIGRE／CIRED聯合工作組C4.24＂與未來電氣網絡相關的電能質量和EMC問題＂旨在探索適用于未來新的電氣網絡技術，能夠滿足更復雜和更精確的測量，應對電能質量的新問題，其中超級諧波的測量和評估是該工作組的挑戰之一［37］；CIGRE2012 C6專委會會議牽涉到電能領域未來的研究方向，其中CIGRE C4／C6.29工作組＂太陽能電能質量方面＂已在開展超級諧波討論應對新的電能質量挑戰；CIGRE C4.31主要任務是制定中低壓電力系統的諧波電流引起電磁干擾的評估指南，其中關于電力線通信9 kHz～150 kHz頻帶，作為潛在干擾問題在討論［38］；IEEE P1250、IEEE EMC學會TC7已開展超級諧波討論［39］；IEC TC 77A內部幾個課題組和工作組均涉及這個頻率范圍。

5 超級諧波的測量

準確的測量供電系統中電壓電流的超級諧波含量是進行超級諧波發射量評估和制定超級諧波免疫標準的前提［40］。雖然國際電工委員會在IEC 61000-4-7已給出對2 kHz～9 kHz內電壓電流的測量方法，對9 kHz～150 kHz內電壓電流的測量方法在草案IEC 61000-4-30 Ed.3中也提出了，但是仍存在一些弊端。文獻［41-42］總結了2014年在斯德哥爾摩舉辦的電力系統諧波研討會主要關注點，文中進一步分析指出如何測量高電壓等級的高頻電壓是未來電力系統亟待解決的問題。

公共低壓電網中超級諧波測量的前提是使用合適的高通濾波器，文獻［43］的作者回顧了濾波器的設計方法，為了克服巴特沃斯濾波器在2 kHz～4 kHz誤差大的問題，針對超級諧波的測量，作者提出了新的濾波優化設計建議，給出了傳遞函數，并論證了其綜合性能的優越性。文獻［44］介紹了一種測量超級諧波的設計方法，電能質量檢測設備選用奧地利知名公司Dewetron生產的DEWE-3040TM系列，皮爾遜電流互感器，標準電壓探頭。電路結構如圖6所示。

圖6 電路結構Fig.6 Circuit configuration

6 超級諧波在負荷監測和負荷識別應用

大量的研究證明超級諧波主要來源于電力電子變換器以及相關的PWM技術，對于此部分諧波的深入認識對現有負荷識別技術的提高有極大幫助，尤其對非線性負荷的識別能力。

用戶側電力消耗情況的管理是構建智能電網不可或缺的部分，體現著電網的智能化程度。非侵入式電力負荷識別技術是對用電側智能管理的關鍵技術，該技術由MIT（麻省理工大學）的研究團隊在上世紀八十年代首次提出［45］，目前一直是國內外研究的熱點，全面的電力負荷使用規律不但為電網仿真模型、電網建設和電能調控提供準確的數據支撐，而且有望成為智能電網中降低住宅能耗和能源管理的重要工具。尋找準確的負荷特性印記用于算法研究是負荷識別技術的重點，也是制約該技術發展的瓶頸，現有負荷識別技術往往應用的是：電流特性、PQ特性、諧波特性、瞬時功率特性、電流包絡線特性、V-I特性、開關暫態特性［46-49］。捕捉用電側多種設備的瞬時開關暫態特性來識別用電器的研究很多，并且結合人工神經網絡算法、聚類分析方法或者整數劃歸方法等方法，另外由于低壓側用電設備的數量龐大、種類繁多，而且操作情況復雜多樣，所以準確反映用電設備的特征印記還再探索。

表4 現有電力負荷辨識模式總結Tab.4 Summary of patterns across power load identification

大多數非侵入式負荷識別算法都在MIT的負荷識別算法基礎上加以改進，文章［50-51］提出擴展版本的MIT算法，它對于有較大負荷尖峰沖激的設備有準確的識別能力；后來的文獻［52-53］對其算法進行了改進。文獻［54-56］把貝葉斯分類原理和神經網絡應用于對多種設備的識別。

斯坦福大學研究表明，設備的耗電量信息反饋給消費者可以影響用戶的用電行為，甚至可以節能12%以上，這需要升級現有計量基礎設施，對采集的數據進行定義，解決非侵入式負荷檢測問題。表4總結出了現有的電力負荷辨識的研究成果和性能要求，表明隨著采集頻率的升高，負荷辨識的能力將會進一步提升，超級諧波甚至更高頻諧波的監測為電力負荷辨識問題提供新的研究思路［54］。本文對高頻干擾的分析恰好提供了一種電力負荷特性印記，目前負荷辨識的暫態特性提取還沒有考慮對超級諧波對應的頻譜與電器之間的密切關聯，因為低壓側大部分電壓接入口都經過電力電子電路與電網連接，未來任何設備必然至少經過一次電力電子電路與網側連接，如圖7所示。所以對超級諧波的認識是非侵入式負荷識別技術的一個突破口，未來把電力接入側2 kHz～150 kHz頻段特性提取甚至更高頻段提取加入到負荷識別特征提取的范圍內，然后對應電力電子電路的特征對應，根據電力電子變換器拓撲類型、設備的工作頻率、控制策略與負荷的功率、工作時間等操作特性的結合必然是實現低壓側負荷辨識的方法之一，同時，各種設備上配置的開關電源類型和通盤考慮的設備EMI規范不但有利于非侵入式負荷識別技術的進步，也是未來智能電網能源管理不容忽視的。

圖7 未來居民用戶的配電系統Fig.7 Distribution system for future residents

7 結束語

（1）一方面超級諧波可能引發新的電能質量問題，另一方面電力線通信在智能電網中應用較多（目前智能電表主要采用電力線載波通信），而且必須向電網中發射高頻諧波。建議兼顧各方需求制定新的電磁兼容規范標準；

（2）現有標準的諧波發射和抗干擾測試往往只針對單個設備，而超級諧波傳播路徑和幅值受鄰近設備影響極大，建議在標準中制定傳導電流干擾試驗的測試環境、規定和配置才能起到更好地規范作用；

（3）負荷辨識對于提升用戶側可觀測、反饋信息引導用戶用電行為，提升用電節能、增效具有重要價值，建議對超級諧波甚至更高次諧波開展監測，升級現有智能電能表采集電力信息的頻率寬度，并基于更協調的電磁兼容規范，提升智能電能表通信帶寬是下一代用電信息采集系統需要解決的主要問題之一；

（4）超級諧波的研究需要電力線載波通信、電能質量治理、用電設備／并網設備前端濾波器設計等多個領域共同協調進行，并開展系統化的測試分析；

（5）隨著用戶側分布式發電和大量電力電子化設備的投入使用，在用電信息采集系統建設過程中，超級諧波對智能電能表計量精度，對智能電能表可靠性、對基于電力線載波通信智能電能表通信性能的影響等問題需要開展更加系統的研究。