技術(shù)、軟件文檔

1、1、無線電力傳輸和諧波1.1無線電力傳輸介紹磁共振無線電力傳輸系統(tǒng)（Wireless Power Transmission, WPT）的系統(tǒng)框圖如圖1所示。主要包括工頻電源、變頻器、電磁發(fā)射系統(tǒng)、電磁接收系統(tǒng)、逆變器和負載。變頻器將工頻電源（220V 50Hz）的頻率變?yōu)殡姶虐l(fā)射系統(tǒng)的諧振頻率，并提供給電磁發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)利用發(fā)射線圈將能量傳遞至電磁接收系統(tǒng)的接收線圈，再由逆變器將接收到的電能頻率變?yōu)樨撦d所需的頻率，供負載使用。圖1-1中，電磁發(fā)射系統(tǒng)與電磁接收系統(tǒng)通過磁共振進行能量傳遞，當變頻器輸出信號的頻率與收發(fā)線圈的固有頻率一致時，能量將通過磁共振方式傳遞。圖1-1 WPT系統(tǒng)框圖磁共

2、振WPT系統(tǒng)的電磁發(fā)射系統(tǒng)包括激勵線圈和發(fā)射線圈，它們之間通過電磁感應直接把能量從激勵線圈傳給發(fā)射線圈；電磁接收系統(tǒng)包括負載線圈和接收線圈，他們之間也是通過電磁感應直接把能量從接收線圈傳給負載線圈。發(fā)射線圈與接收線圈通過磁共振耦合實現(xiàn)能量的中距離傳輸。其等效模型如圖 1-2 所示四線圈模型，激勵線圈和負載線圈是由單匝線圈組成，發(fā)射線圈和接收線圈是由多匝線圈組成。圖1-2 電磁發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖WPT系統(tǒng)變頻器環(huán)節(jié)是主要是電力電子設備，其在工作過程中會產(chǎn)生電力諧波，并且隨著傳輸功率的增加，諧波含量會增加，從而對電網(wǎng)和電力設備等造成危害，對電能計量造成影響。1.2 電力系統(tǒng)諧波介紹及危害1.2.

3、1電力諧波介紹電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20 世紀 20 年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變。1945年 J.C.Read 發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了 20 世紀 50 年代和 60 年代，基于電推薦精選力電子技術(shù)的高壓直流輸電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，同時，由于電力電子變流技術(shù)的采用而帶來電網(wǎng)諧波污染的問題也凸現(xiàn)出來。對此，許多學者對變流器引起電力系統(tǒng)諧波的問題開展了深入研究。20 世紀 70 年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害

4、也日趨嚴重。各種功率電子換流設備、電氣機車驅(qū)動系統(tǒng)、電弧爐、電子節(jié)能設備及家用電器的二次電源等，是由電力電子開關(guān)器件組成的變流器幾乎都是工作于開關(guān)狀態(tài)，屬于典型的非線性負載，必然產(chǎn)生非正弦電流，其諧波成份基本只與其固有的非線性特性及工況有關(guān)，而與這些負載外部阻抗的變化幾乎無關(guān)。因此，這些都可以是諧波電流源。電力電子設備在運行時會在交流側(cè)產(chǎn)生電流、電壓諧波，并通過（電）導納和輻射的形式影響鄰近弱電系統(tǒng)和連接在同一電網(wǎng)耦結(jié)點的電氣設備，產(chǎn)生不良的諧波效應。如變流器等非線性電力設備接在電網(wǎng)中使用時，它們不僅從電網(wǎng)中吸收有功功率和無功功率，同時也向電網(wǎng)注入諧波電流，而諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生的諧波壓降

5、，使電網(wǎng)各點電壓產(chǎn)生畸變，嚴重時會影響電網(wǎng)中其他設備的正常運行。在電力系統(tǒng)中，穩(wěn)定電壓、電流一直是人們追求的目標，即要求電力輸出穩(wěn)態(tài)的理想的正弦波型的電壓和電流，但是，系統(tǒng)中存在著大量的各種非線性負荷，或者某些元件因運行區(qū)域的改變而呈現(xiàn)出非線性時變的負荷，系統(tǒng)中將產(chǎn)生高次諧波，即出現(xiàn)頻率為基波整數(shù)倍的正弦電量，高次諧波與基波合成的結(jié)果，造成電網(wǎng)電壓波形的畸變，其程度由諧波的頻率和幅值決定。非線性負載吸收陡峭電流，而不吸收嚴格的正弦波電流，這些脈沖電流引起諧波電流，從而導致電壓畸變和電壓諧波，甚至在電力系統(tǒng)各部分產(chǎn)生更多的電流諧波。這種非線性元件的頻率變換作用，是電力系統(tǒng)中高次諧波產(chǎn)生的重要機理

6、。1.2.2電力諧波的危害1）諧波引起諧振和諧波電流放大為補償負載的無功功率，提高功率因數(shù)，常在負載處安裝并聯(lián)電容器。為提高系統(tǒng)的電壓水平，常在變電所安裝并聯(lián)電容器。此外，為濾除諧波，也會裝設由電容器和電抗器組成的濾波器。在工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不會產(chǎn)生諧振。但對諧振頻率而言，系統(tǒng)的感抗大大增加，而容抗大大減小，就可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。諧振會使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)特別是會對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，常常使電容器和電抗器燒毀。由諧波引起的事故中，這類事故占很高的比例。由參考文獻可知，因諧波而損壞的電器設備中，電容器約占 40%，與其串

7、聯(lián)的電抗器約占 30%。2）諧波對電網(wǎng)的影響諧波電流在電網(wǎng)上流動會產(chǎn)生有功功率損耗，它是電網(wǎng)線路損耗（簡稱線損）的一部分。一般來說，諧波電流與基波電流相比所占比例不大，但諧波頻率高，在導線中集膚效應會使得諧波電阻比基波電阻大。因此，諧波引起的諧波附加線損也增大。諧波源在一些諧波頻率上吸收有功功率，在另一些頻率上向外發(fā)送有功功率。這些諧波有功功率通常是由從電網(wǎng)中推薦精選吸收的基波有功功率轉(zhuǎn)化而來的。諧波源吸收的諧波有功功率常常對產(chǎn)生諧波的裝置本身是有害的。諧波源發(fā)出的諧波有功功率除造成線損外，也給接在電網(wǎng)上的其它用電設備帶來危害，并增加功率損耗。3）諧波對電力計量的影響電力計量主要有電力測量儀表

8、等，電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當有諧波出現(xiàn)時，將會產(chǎn)生測量誤差。儀表的原理和結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的誤差也不同。事實上，有諧波時如何測量功率和電能等與收費直接有關(guān)的電量，這既是一個非常實際的問題，也是一個基礎理論問題。這個問題和諧波標準密切相關(guān)，更為關(guān)鍵的是，它與存在諧波時的功率定義直接相關(guān)。美國電氣及電子工程師協(xié)會（IEEE）曾成立了有關(guān)非正弦波形情況下計量儀表所受影響和功率定義的專門工作組，該工作組于 1996 年發(fā)表工作報告時指出，數(shù)字采樣測量技術(shù)的發(fā)展正在突破各種技術(shù)限制，現(xiàn)在關(guān)鍵問題是缺少功率分解和定義的統(tǒng)一。不同的標準測量結(jié)果出入很大，這是涉及諧波影響實際計量領域中一個與用

9、戶利益有直接關(guān)聯(lián)的問題。這點會在在本文后續(xù)部分進行詳細討論。1.3 諧波抑制標準制定抑制諧波的標準是解決電力系統(tǒng)諧波危害和影響的重要措施。世界上許多國家都已制定了抑制諧波的國家標準或全國性規(guī)定。我國也先后于1984 年和 1993 年分別制定了抑制諧波的規(guī)定和國家標準。在國際上，各個國際組織，如國際電氣電子工程協(xié)會(IEEE)，國際電工委員會(IEC)和國際大電網(wǎng)會議 (CIGRE)也紛紛推出了各自建議的諧波標準，其中較有影響的是IEEE519-1992和IEC555-2（已在 1993 年廢止并明確由IEC1000-3-2 代替）。近年來，國際上有關(guān)諧波的研究十分活躍，每年都有大量的論文發(fā)表

10、。這一方面說明了這一研究的重要性，另一方面也預示著這一領域的研究將取得重大突破。設備的使用者越來越關(guān)注電氣諧波對電力系統(tǒng)及設備本身所帶來的危害及不良影響，盡管在世界范圍內(nèi)相關(guān)的電氣諧波標準尚未被強制執(zhí)行，但由IEEE 及 IEC 制定的諧波標準已經(jīng)引起了電力電子技術(shù)工業(yè)界的高度重視。在眾多的諧波標準中最引人注目的是 IEC1000-3-2接入交流低壓電網(wǎng)設備的電流限值，它已被采納作為歐洲標準 EN61000-3-2。這意味著所有相電流小于等于 16A 的電力電子產(chǎn)品要在歐洲銷售都必須服從這一歐洲標準，至今這一標準并未在世界范圍內(nèi)得到接受。但由于各種非線性電子設備的使用，使得諧波的污染正日益增強

11、，為電力系統(tǒng)的運行安全和減少諧波損失，電力電子設備的制造商正致力于生產(chǎn)滿足國際諧波標準的相關(guān)產(chǎn)品。目前所有的諧波標準分成三大類：1）對用戶及系統(tǒng)的限制標準，有 IEEE-519-1992、IEC1000-2-2和IEC1000-3-6等；2）對設 備 的 限 制 標 準 ， 有 IEC1000-3-2(16A 以 下 ) 、 IEC1000-3-4(1675A)及其它新的 IEEE 標準；3）諧波的測量標準 IEC1000-4-7。推薦精選目前，只有 IEC1000-3-2 和 IEC1000-3-4 兩個標準對個別諧波進行了限制，因而它對電力電子設備的設計影響最大。IEEE-519對個別諧波

12、也作了限制，但它的主要目的是限制系統(tǒng)節(jié)點PCC(point of common coupling)的諧波大小。由于在某些工業(yè)場合極難實現(xiàn) IEC1000-3-4 標準，所以通常采用IEEE-519 作為設計準則來限制三相電力電子設備的諧波發(fā)送，這也反映了工業(yè)領域?qū)θ嘀C波標準的強烈要求。1.3.1 IEC1000-3-2簡介IEC1000 標準系列涉及到所有的電磁設備，其中IEC1000-3-2 是針對小型電氣設備而制定的，它的重點放在公眾的“低壓”、“家用”的設備方面，對相電流小于或等于 16A的電氣設備所產(chǎn)生的諧波做出了限制。該標準對諧波的限制分A，B，C，D四個等級，因為它所涉及的對象是

13、應用最為廣泛的，如整流裝置一類的功率電子設備，且電流波形較為特殊，因而它也是這當中最具爭議的標準。表 1-1 列出了對D級設備的諧波限制標準，D級標準所規(guī)范的最大輸入電功率為 600W。表中僅列出了對 13 次以下諧波的限制。表1-1 IEC1000-3-2對D級設備的諧波限制標準1.3.2 IEC1000-3-4 簡介IEC1000-3-4 除涉及到單一設備的諧波限制標準之外，還涉及到整個系統(tǒng)的安裝設備(包括單相及三相裝置)的諧波限制標準，同時還考慮了短路比(short circuit current ratio)， 定義為最大短路電流與額定負載電流之比。表 1-2 列出了輸入電流大于 16

14、A 設備的諧波限制標準(只列出了 13 次以下的諧波)。表1-2 IEEE-3-4對三相設備的諧波限制標準推薦精選表 1-3 列出了IEC1000-3-4 對所有奇次諧波的限制值，該標準限制整個裝置諧波最大不超過 20%，如果三相不平衡，則每相都應服從單相的諧波標準。表1-3 IEC1000-3-4對所有諧波的限制標準1.3.3 IEEE-519 簡介為了防止設備產(chǎn)生的諧波電流回流到供電系統(tǒng)，并對其它用電設備產(chǎn)生不良影響，IEEE-519 對系統(tǒng)共同連接點的諧波電壓和諧波電流加以規(guī)范，它把規(guī)范的目標放在包括電流和電壓諧波在內(nèi)的大功率商業(yè)及工業(yè)用戶群。表 1-4 列出了 IEEE-519 對電壓

15、諧波的限制標準。表1-4 IEEE-519對電壓諧波的限制標準表 1-5 列出了低于 69kV的供電系統(tǒng)中，在不同的短路比條件下，其諧波電流值(表中數(shù)值為諧波的安培數(shù))和總諧波畸變系數(shù) (THD)值的限制，而偶次諧波限制在奇次諧波的 25%以下。從表 15 可見，電網(wǎng)容量越小，對諧波的限制越加嚴格。因此，按照電力電子裝置容量與電力系統(tǒng)短路容量之比，正確選擇主電路聯(lián)結(jié)形式(等效相數(shù)、脈波數(shù))和控制方式十分重要。表1-5 IEEE-519電流限制值推薦精選推薦精選2、無線電力傳輸諧波對計量的影響 由前面分析可知，無線電力傳輸設備中的變頻器在工作過程中會產(chǎn)生諧波，進而對電網(wǎng)和周邊設備帶來影響。本章主

16、要介紹諧波的定義和諧波對電能計量的影響，進而分析無線輸電過程產(chǎn)生諧波對計量的影響。2.1諧波的定義及性質(zhì)波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線性設備引起的，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系，使得波形偏離正弦波形發(fā)生畸變。當畸變波形的每個周期都相同時，則該波形可用一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的理想正弦波形的和來表示。其中，頻率為基波頻率的整數(shù)倍的分量稱為諧波，而一系列正弦波形的和稱為傅里葉級數(shù)。國際上公認的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。在頻域分析中，將畸變的周期性電壓和電流分解成傅立葉級數(shù)關(guān)于工程實際中出現(xiàn)的諧波問題的描述及其性質(zhì)需明確下列幾個問

17、題：（1）所謂諧波，其次數(shù) h 必須為基波頻率的整數(shù)倍。如我國電力系統(tǒng)的額定頻率為 50Hz，則基波頻率為 50Hz，2 次諧波頻率為 100Hz等。（2）間諧波和次諧波。在一定的供電系統(tǒng)條件下，有些用電負荷會出現(xiàn)非工頻頻率整數(shù)倍的周期性電流的波動，為延續(xù)諧波概念，又不失其一般性，根據(jù)該電流周期分解出的傅立葉級數(shù)得出的不是基波整數(shù)倍頻率的分量，稱為分數(shù)諧波或間諧波(inter-harmonics)。頻率低于工頻的間諧波又稱為次諧波（sub-harmonics）。（3）諧波和暫態(tài)現(xiàn)象。在許多電能質(zhì)量問題中常把暫態(tài)現(xiàn)象誤認為是波形畸變。暫態(tài)過程的實測波形是一個帶明顯高頻分量的畸變波形，但盡管暫態(tài)過

18、程中含有高頻分量，暫態(tài)和諧波卻是兩個完全不同的現(xiàn)象，他們的分析方法也是不同的。電力系統(tǒng)僅在受到突然擾動之后，其暫態(tài)波形才呈現(xiàn)出高頻特性，但這些高頻分量并不是諧波，與系統(tǒng)的基波頻率無關(guān)。供電系統(tǒng)典型諧波源：推薦精選系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的設備即諧波源，是具有非線性特性的用電設備。當前，電力系統(tǒng)的諧波源，就其非線性特性而言主要有三大類：（1）鐵磁飽和型：各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。（2）電子開關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設備以及PWM 變頻器等電力電子設備。（3）電弧型：交流電弧爐和交流電焊機等。2.2計量用電能表介紹作為測量電能的專用儀表電能表，自誕

19、生至今已有 100 多年的歷史。因為 1 千瓦小時的電能量被定義為一度電，所以按計量單位，電能表又俗稱為電度表或千瓦時表。電能表在電能管理用儀器儀表中占有很大比例，它的性能直接影響著電能管理的效率和科學化水平。電能計量的數(shù)學原理如下：（1） 在單相交流電路中，功率 p 的瞬時值用數(shù)學公式表示為單相電能表是應用最多的一種表，廣泛使用在居民、機關(guān)、商店等照明用電消費中。即可采用二元件電能表來測量三相三線的電能損耗，但電壓線圈承受的電壓分別為線電壓 uab及 ucb，也可利用三只單相表合為三相電能表。電能和功率的關(guān)系為：電能表測量的電能就是按公式（1.5）計算的有功電能。感應式電能表是利用處在交變磁

20、場的金屬中的感應電流與有關(guān)磁場形成力的原理制成的，具有制造簡便、可靠性好和價格便宜等特點。感應式電能表到二十世紀初迅速普及應用，促進了電能的商品化生產(chǎn)。電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求。電力系統(tǒng)的不斷擴大以及對電能合理利用的探索，使感應式電能表暴露出準確度低、適用頻率范圍窄、功能單一等缺點。推薦精選為使電能計量儀器儀表適應工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求，電子式電能表應運而生。同時，隨著社會的發(fā)展，電子儀器、儀表和電子計算機逐漸應用到各個領域。電力系統(tǒng)也急需能提供數(shù)字（或脈沖）輸出的電能表，實現(xiàn)分時計費和管理自動化，從而提供工作效率和經(jīng)濟效益。早期的電子式電

21、能表是感應式電能表和電子部件的相結(jié)合，仍采用感應式電能表的測量機構(gòu)作為工作元件，由光電傳感器完成電能脈沖轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)電子電路對脈沖進行適當處理，從而實現(xiàn)對電能的測量。由于此種表的顯著特點是感應式測量機構(gòu)配以脈沖發(fā)生裝置，因此被稱為感應式脈沖電能表，也稱機電脈沖式電能表。機電脈沖電能表在國外早已有成熟產(chǎn)品，并自 20 世紀 70 年代初起就已開始在一些工業(yè)化國家逐步大面積采用。這種表是感應式電能表向全電子式電能表過渡發(fā)展過程中的電能計量表種，它們對分時電價、需量電價制度的實施起了積極的推動作用。盡管直到 90 年代不斷改進脈沖式電能表的某些技術(shù)性能，但以感應式測量機構(gòu)作為其測量主回路的原理性缺陷

22、，決定了它同樣具有感應式電能表一樣的準確度低、適用頻率范圍窄等缺點。為了替代由感應式機構(gòu)測量交變電能，從 70 年代起，人們開始研究并試驗采用電子電路的方案。由于電能是電功率對時間的積分，所以任何電子電路式電能計量方案的第一步都是確定電功率。因而，使用乘法器是實現(xiàn)測量電功率和電能的電子電路式測量方案的共同特點。電子式電能表的乘法功能是由乘法器完成的，乘法器按其原理可分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器，電子式電能表因此可分為模擬型電子電能表和數(shù)字型電子電能表。2.3諧波對感應式電能表的影響：電能表的頻率特性是畸變波形對電能表計量影響的重要依據(jù)，電能表頻率響應曲線是否平坦，表明電能表是否能夠準確計量諧波功

23、率。感應式電能表的頻率特性曲線如圖 2-1 所示圖2-1 感應式電能表頻率特性曲線圖 2-1 中，自上而下曲線對應的功率因數(shù)分別為 0.25（超前），0.5（超前），1，0.5（滯后），0.25（滯后）。感應式電能表接入系統(tǒng)中，當頻率變化時可以得到：推薦精選（1）感應式電能表的電能計量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢，即感應式電能表在計量高頻電能時，會出現(xiàn)誤差；（2）計量誤差隨頻率的增高而增大，當頻率為 1000Hz 左右時，誤差超過-90%；（3）不同功率因數(shù)下的誤差值有一定的差異。這種由頻率變化所產(chǎn)生的誤差的原因主要有以下幾個方面：（1）頻率發(fā)生變化時，由于電壓線圈阻抗的變化，會導致電壓工作

24、磁通發(fā)生改變，從而影響電能表的測量精度；（2）轉(zhuǎn)盤非純電阻，其中有感抗分量，當頻率升高時，轉(zhuǎn)盤的等效阻抗及其阻抗角隨頻率的升高而增大，使得電能表轉(zhuǎn)速變慢，產(chǎn)生負誤差；（3）電流線圈磁通量和電壓線圈磁通量隨著頻率的增加而減少，使得驅(qū)動力矩 MQ減少，電能表轉(zhuǎn)速變慢，產(chǎn)生負誤差；（4）負荷的補償力矩與頻率成反比，當頻率升高時，補償力矩 MT 減小，使電能表產(chǎn)生負誤差，并且這種影響的大小隨負荷的大小不同而不同，負荷電流愈小影響愈大。從圖2-1也可以看出，感應式電能表誤差隨功率因數(shù)的變化曲線有所不同，曲線下降是由于相位補償線圈對每一頻率并非達到最佳補償所致。感應式電能表的正常工作頻率范圍很窄，僅在工頻附近且電壓、電流為正弦波的情況下才能夠做到正確的計量。當系統(tǒng)中電壓和電流發(fā)生畸變時，電能表所計量電能的準確性將迅速下降。當系統(tǒng)中含有諧波時，電能表電壓線圈阻抗和轉(zhuǎn)盤阻抗都會變化，導致電壓工作磁通和電流磁通變化，從而影響電能表的計量精度。同時，在存在諧波電壓和諧波電流的時候，由于諧波疊加基波而使波形發(fā)生畸變，但此時感應磁通不能夠隨著波形的變化而成相應的線性變化。根據(jù)電磁感應電能表的工作原理，只有同頻率的電壓、電流產(chǎn)生的磁通相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，畸變的電壓、電流通過電磁組件后，磁通不能與波形產(chǎn)