德国GMC电能质量

本文讨论了在低压装置中，光伏逆变器与LED灯之间通过谐波、间谐波、超谐波和闪烁的相互作用的不同方法。 单个电网连接的发电机和像LED灯这样的电子负载可以很容易地用给定频率范围内的谐波来表征。 对这一主题的理解相对较好，已经制定了衡量和限制干扰的具体标准，以确保干扰概率较低。 然而，当连接在一起时，源和负载表现出需要进一步研究和理解的行为。 这项工作提出了一项讨论，作为今后关于分析干扰对这一特定负荷和源相互作用的损失和其他影响的工作的指南。 考虑了以下几点：LED负载和光伏逆变器的非线性；控制中使用的技术和方法；以及负载和功率生产变化引起的潮流变化。 指标术语-电力系统，电能质量，谐波，超谐波，太阳能。

导言

随着不断发展，新能源和消费设备的纳入使得电气环境变得越来越复杂，需要更广泛地了解这些元素与电气系统之间的相互作用。 在这种情况下，使用分布式能源，通常使用电力电子接口，越来越多地被探索作为大型和传统发电厂供电的补充和替代。 此外，根据技术趋势，与传统负载相比，具有不同特性的电子负载是带来巨大收益的系统的一部分，特别是在效率方面，甚至在电能质量方面。 然而，同时，他们可能会对电能质量提出新的关切。

即使考虑到对不久的将来最悲观的预测，光伏微网在低压系统中的大规模存在也将是一个值得欢迎的现实。 随着微型发电，我们将有LED灯出现在世界大多数家庭。 光伏逆变器和LED灯都使用高频开关技术从不同阶段（例如直流到交流或交流到直流转换功率）。 原因是设备重量和尺寸的减少，以及控制可能性的增加。 结果是与传统的功率转换技术相比，设备更高效、更便宜。

目前，功率变换器和电子负载都使用拓扑和控制技术，具有一定的相似性。 此外，用于功率级转换的正常器件，如SCR、BJT、TRIACS、MOSFETS和IGBTS，具有一定程度的非线性特性。 当这些设备与活动开关方法相关联时(例如它可以导致高谐波电平。)

除了这两个干扰源之外，我们通常在相同的低压安装中存在通信信号。 这些信号的存在引入了额外的频率分量，使得对所有影响的分析更加复杂。 例如，众所周知，使用电源线通信(PLC)连接到“清洁”电源的设备，频率范围为9-95k Hz的电流主要在相邻设备之间流动，而不是在设备和电网[1]之间流动。 因此，这种发射的来源和发射在不同功率水平和频率上的传播目前是一个进一步调查的主题。

这一背景说明有必要深入研究电源、负载和通信系统之间的相互作用。 这些部分应该单独研究以表征它们的排放，然后进一步研究不同的装置被排列在一起来研究它们之间的相互作用。

这项工作解决了特定于低压安装LED灯和光伏转换器的电能质量问题。 在这方面，这项工作将处理在这种设备存在下的低压装置中的光闪烁、谐波、间谐波和超谐波的影响。 第二节将简要说明这些电力质量问题。 其中一些问题是一个相对较新的研究趋势，对未来研究的一些指导已经开始，如[2]和[3]所述。 这种研究提出了巨大的挑战，特别是因为有必要探索具有非线性响应、低可预测性和往往取决于瞬间天气的变化的设备之间的相互作用。 本文概述了光伏逆变器与LED灯相互作用的三个方面的最新情况和未来研究的所需方向：光伏逆变器和LED灯的发射（第三节）；光伏逆变器和LED灯对电压扰动的敏感性（第四节)；以及这些扰动在不同器件之间的传播(第五节）。 最后给出了结论。

电能质量问题

根据最近的研究[4][5]、[6]，光伏逆变器和LED灯的使用会影响电力系统的效率，而且会降低最终用户设备的效率和寿命。 对于这些设备之间的交互仍然缺乏理解。 考虑到这一情况，根据最初在[2]中表达的专家意见，将分析以下电力质量问题：

1)谐波和间谐波(频率低于2千赫)；

2)超谐波(频率在2至150千赫之间)；

3)灯光闪烁。

第一个问题，虽然这方面的研究和开发已经进行了几十年，但仍然值得关注，主要是由于广泛使用使用使用高频开关设备的调节电源。 这种装置有机会限制谐波发射，但它们也可能使问题复杂化，并导致在过去相当不受发射的频率上发射。 现代电力供应几乎完全使用技术，其中由电源绘制的电流不是正弦[7]。 由于LED灯含有各种类型的电源，因此应从更广泛的意义上探讨这一问题。

第二个问题是最近对电能质量的关注之一。 超谐波已成为研究人员的重要课题，并已开展了相关工作。 根据[8]的Lundmark，这一担忧上升的主要原因是使用有源开关的转换器激增，导致频率范围2至150k Hz的发射水平增加。 有趣的一点是，谐波和超声调之间存在着联系，尽管这是一种主要的非技术连接。 一个可以说明这一点的例子是，IEC61000-3-2对大于25W的灯具的谐波发射施加了限制。 解决这一问题最常用的技术是使用有功功率因子校正，解决了低频谐波发射的问题，但在较高的频率范围内会产生更多的发射。 因此，标准化的结果是发射从谐波范围移动到超谐波范围。

电网中存在高水平的谐波、间谐波和超谐波，会产生一些后果。 设备端子(如LED灯和光伏逆变器)的谐波电压畸变会产生一些不利后果：

· 业绩减少或损失增加；

· 寿命缩短，往往是由于热点的形成；

· 干扰设备的性能，例如。 当控制系统被多个零交叉的出现所混淆时。

谐波电流可能对电网中的串联元件如变压器产生不利影响。 还应该指出，在涉及低次谐波的情况下，大多数公共网络的电压和电流失真水平都在很大程度上受到控制。 因此，对谐波的干扰是非常罕见的。 主要问题是网络运营商将谐波电压保持在监管或内部限制范围内，客户将谐波电流保持在限制范围内。

对于间谐波和超谐振，标准中没有监管限制，几乎没有适用的限制，因此对设备的实际和预期影响的讨论仍然很多。

前面提到的三个问题中的最后一个与LED照明中的闪烁有关。 在白炽灯中，灯闪烁是由于rms电压的快速变化所致。 对于荧光灯，围绕三倍谐波的谐波也会导致光闪烁。 对于LED灯，灯闪烁问题变得更加复杂。 根据[9]，LED照明有时在可能引起生物人类反应的频率上显示闪烁。 在谐波和超谐波范围内，不同类型的波形失真会导致LED灯的闪烁。 它将取决于电路的设计，其中这种闪烁的谐波含量可能从不明显到高度干扰到人类的观察。 在下一节中，我们开始讨论这些电能质量扰动的发射。

干扰

为了开始讨论这个问题，我们提出了以下问题：光伏逆变器和LED灯中的电力电子学如何影响电流中的谐波、间谐波和超谐波？

与Larsson等人进行的工作类似。 在荧光灯的[10]中，解决这一问题的一个建议是首先测量和量化LED灯和光伏逆变器在设备终端上单独引入的发射。

早期的论文，[11]和[12]，已经提出了来自灯具和逆变器的发射。 市场上大量的不同类型使得需要一种系统的测量方法，涉及大量的类型。

一个不同的LED灯和光伏逆变器的集合必须评估涵盖广泛的技术。 测量的结果应在时间和频域上提出和分析，以全面了解所涉及的幅度和频率。 同时，有必要研究拓扑设计，将从单个测量中发现的频率与设备之间的技术差异联系起来。 这包括评估有源功率因数校正(APFC)的特点，开关级，整流二极管，散装电容器和EMC滤波器存在于某些设备。 必须指出，鉴于市场上灯具和逆变器种类繁多，有些阶段有时被一些制造商最小化甚至忽略。 例如，LED灯具中的EMI滤波器就是这样，有些灯具没有配备[11]。 此外，还必须评估源阻抗的影响，因为当阻抗偏离用于符合性测试的参考阻抗时，符合EMC标准的设备仍可能显示高发射。 关于逆变器，已经开展了一些工作。 作为一个例子，我们可以引用Wang等人所做的工作。 在[13]中，光伏逆变器的谐波发射取决于它们的工作条件。 如果输出功率降低，就会发出更多的谐波。 随着功率从1515W降低到116W，电压THD从3.65%增加到18.13%。 当以安培表示时（而不是以基波电流的百分比表示），谐波含量从461mA下降到175mA(假设120V系统和单相连接)。

同样，[12]研究了不同额定功率(从1kVA到100kVA)的多个逆变器的谐波发射。 结果表明，低次谐波主要有5次和7次th电流和电压的谐波。 所有逆变器在其开关频率上都有显著的发射。 在本研究中，观察到以下开关频率：大型逆变器(100kVA)和10kHz、16kHz和25kHz的小逆变器(1kVA到10kVA)的3kHz)。 [14]，分析了输出电流电平对单相光伏系统馈入电网电流畸变的影响。 通过对比例控制器(PR)、重复控制器(RC)和多谐振控制器(MRC)及其聚合的建模，说明了该控制如何影响谐波发射。 结合这些方法，逆变器可以有效地抑制谐波，即使在不同的运行条件下。 考虑到现在的冲击，[12]，我们可以看到一个明显的发射范围在40k Hz到80k Hz之间的例子，由窄带电力通信系统(PLC)引起)。 此外，在LTU，已经做了研究，以了解超拉曼学在当地低压系统中的传播。 在56WLED路灯的连接点进行了两种不同环境下的光谱测量。 从结果来看，发射是强烈的位置依赖性的，如图所示。 1.

1：排放，9至150千赫，在实验室环境（红色)和工业设施(蓝色)车间测量）。

另一方面，关于LED灯的影响，作为一个例子，我们可以引用Ronnberg等人进行的工作。 在[15]，住宅小区的灯具（主要是白炽灯）被LED灯取代，更换前后对完整安装的谐波发射进行了评价。 测量结果清楚地表明，由于更换灯具，整个装置的排放水平没有重大变化。 由于在LED灯具中存在APFC而产生的排放是需要评估的重要点。 通过IEC61000-32对谐波发射进行调节，通常大于25W的灯具安装APFC以满足发射要求。 从一些初步的实验表明，APFC可以很好地最小化谐波发射，但同时也会在超调量范围内产生失真。 无花果。 给出了在LTU实验室分析的两个带和不带APFC的LED灯的电压和电流波形的例子。

2：电压（蓝色)和电流(橙色）波形绘制的灯与没有APFC（分别上和下）。

上面的波形是从一个63WLED灯（工业用途）。 电流是相当正弦的，除了在零交叉周围的一些小偏差和在电流的正负峰值处的小失真。 这种失真包括来自APFC中开关的遗骸，并出现在超拉曼范围内。 对于一个7WLED灯，在没有APFC的情况下，得到较低的波形，其中电流波形在较低的频率范围内失真。 无花果。 显示两盏灯的频谱。

3：图所示电流波形的谐波光谱。 2. 63W灯（上部）和7W灯（下部）。

在VTHD1.98%时，63WLED灯的总谐波电流畸变率(ITHD)为10%，位移功率因数(DPF)为0.985。 测量7W灯的ITHD为78%，DFP为0.858。 为了评估谐波和间谐波，需要开发仿真模型并进行实验室测量。 对于超谐振，应考虑器件之间的相互作用，以验证可能的共振所造成的影响，特别是当它可能导致高压畸变水平时。

敏感性

关于这个问题，我们提出了一个问题：终端电压中的谐波、间谐波和超谐波是如何影响光伏逆变器和LED灯中的电力电子学以及LED灯的光强的？

在这方面，已经采取了重要的研究举措，主要涉及LED灯具。 这些研究旨在了解电压畸变等现象对LED灯具和其他照明设备的影响。 研究了超谐波(2~150k Hz)和谐波(0~2k Hz)的影响，并对功率因数校正电路的影响进行了研究，[10]得出了结论。 以鲁莱亚理工大学低压实验室3WLED灯为例，分析了超拉蒙学对照度的影响。 为了验证磁化率，将照度与正常电压波形中添加的高频失真进行了比较，并对其进行了比较。 无花果。 4显示灯在正常条件下的实验结果。 没有增加高频失真)。

 4：正常条件下的照度（不增加高频失真）。

高频失真，记录在一个商业机构，然后叠加在电压电源电压波形上，包含频率分量存在于2至150kHz频率范围的中间。 对于附加高频失真的情况，实验结果如图所示。 5.

 5：亮度增加高频失真。

结果表明，高频失真对LED灯具的影响。 在高频失真的测试信号下，照度增加。 然而，这种行为并不一致。 部分灯具照度下降。 这种行为的差异是由于灯的电气设计的差异。 对于光伏逆变器，应进行类似的实验。 有必要知道谐波和超谐波对该设备的寿命损失和效率损失有多大的影响。 对于光伏逆变器来说，不同频率对设备性能和寿命的影响从未得到很好的研究。 这样的调查的一个很好的出发点是探讨以下研究课题：

· 不同频率范围的传导发射对功率级效率的影响，特别是对常用的元件，如IGBT、变压器、二极管和电容器；

· 来自PLC的频率对设备运行可能干扰的效率和评估的影响；

· 在设备受到任何干扰（无论是效率、寿命损失还是可能的故障）影响之前，评估传导和辐射发射的可接受限值。

进行本研究课题，应考虑使用仿真软件和实验室设施，配备各种光伏逆变器和LED灯具。 主要目标是探索设备如何受到排放的影响。 此外，有必要有可用的设备和部件来组装电源开关阶段，以便研究上述主题的具体部分。

传播

对于这个问题，问题是：在同一个低压安装中，谐波、间谐波和超谐波是如何从一个设备传播到另一个设备的？

这一专题包括取决于一天中的时间、地点和设施中其他设备的详细情况的统计问题。 包括所有这些都是一个巨大的挑战。 首先，需要解决电压畸变对谐波和间谐波发射的影响，并了解它们是如何通过低压装置传播的。 必须执行大量的相关性来识别相互作用，主要是为了识别与排放相关的产生高失真水平的组合。[16]的实验结果表明，谐波冲击强烈地取决于逆变器的类型和混合，以及它们的工作条件。 此外，结果表明，混合不同类型的逆变器可以稍微减少组合THD的安装作为一个整体。

关于supraharmonics，根据Hankaniemi等人的说法。 [17]它们的流动主要发生在单独的设备之间，而不是进入网格。 这一点后来被其他几项研究证实和解释。 几项研究还表明，连接到电网上的个人设备对超拉门子发射有很大的影响。

一种可能的方法，以减轻蔓延的支持是改进设计低压装置。 这包括评估配电变压器在扩展这种频率和接地平面拓扑中的作用。 一个建议是开始这个研究主题，在[8]由Lundmark进行的工作中增加研究元素。 对差动模式电流的研究可以进一步评估，以了解低压设施的配置如何可以减轻超拉门音的传播。 此外，评价PLC的使用，是一个重要的探索点。 考虑到这一点，一个想法是开始研究使用模拟模型来评估不同设备之间的相互作用及其对传播的影响。 其次，在设备和设施的可用性下，可以在实践中进行交互，研究不同参数变化对交互的影响。 这包括评估不同情况下的电力生产和负荷变化。 在研究中还必须包括超声调对中性电流（零序分量）和单个谐波阶数的影响。

结论

从前几节强调的问题可以很容易地看出，在不久的将来，仍然存在着足够的研究挑战，特别是关于超谐波的挑战。

只要它们保持在一定值以下，电网中非正弦电压和电流的一般存在就不是一个问题。 一旦超过这一数值，情况就会令人担忧。 了解和量化不同频率失真是如何产生和传播的，对于能够估计超过这些值的风险至关重要。 也不是总是清楚的以上价值扭曲变得令人担忧。 虽然电力损失的影响在理论上是众所周知的，但仍然有必要更好地量化这些现象对并网设备效率损失和寿命损失的影响。

本文提出了一些研究人员应该解决的问题，以研究光伏逆变器和LED灯之间的相互作用。 正如我们所看到的，电力系统谐波中有一些问题是相对较新的，尽管其中一些已经被调查，即使是那些仍然需要大量的进一步研究。 这就是supraharmonics的情况，在描述他们在不同情况下的行为，建立标准化的测量方法，以及设置设备的干扰和豁免限制方面有更具体的需求。