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1、1、无线电力传输和谐波1.1无线电力传输介绍磁共振无线电力传输系统（Wireless Power Transmission, WPT）的系统框图如图1所示。主要包括工频电源、变频器、电磁发射系统、电磁接收系统、逆变器和负载。变频器将工频电源（220V 50Hz）的频率变为电磁发射系统的谐振频率，并提供给电磁发射系统。发射系统利用发射线圈将能量传递至电磁接收系统的接收线圈，再由逆变器将接收到的电能频率变为负载所需的频率，供负载使用。图1-1中，电磁发射系统与电磁接收系统通过磁共振进行能量传递，当变频器输出信号的频率与收发线圈的固有频率一致时，能量将通过磁共振方式传递。图1-1 WPT系统框图磁共
2、振WPT系统的电磁发射系统包括激励线圈和发射线圈，它们之间通过电磁感应直接把能量从激励线圈传给发射线圈；电磁接收系统包括负载线圈和接收线圈，他们之间也是通过电磁感应直接把能量从接收线圈传给负载线圈。发射线圈与接收线圈通过磁共振耦合实现能量的中距离传输。其等效模型如图 1-2 所示四线圈模型，激励线圈和负载线圈是由单匝线圈组成，发射线圈和接收线圈是由多匝线圈组成。图1-2 电磁发射和接收系统示意图WPT系统变频器环节是主要是电力电子设备，其在工作过程中会产生电力谐波，并且随着传输功率的增加，谐波含量会增加，从而对电网和电力设备等造成危害，对电能计量造成影响。1.2 电力系统谐波介绍及危害1.2.
3、1电力谐波介绍电力系统的谐波问题早在 20 世纪 20 年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电网电压、电流波形的畸变。1945年 J.C.Read 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了 20 世纪 50 年代和 60 年代，基于电力电子技术的高压直流输电技术得到了迅速的发展，同时，由于电力电子变流技术的采用而带来电网谐波污染的问题也凸现出来。对此，许多学者对变流器引起电力系统谐波的问题开展了深入研究。20 世纪 70 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严
4、重。各种功率电子换流设备、电气机车驱动系统、电弧炉、电子节能设备及家用电器的二次电源等，是由电力电子开关器件组成的变流器几乎都是工作于开关状态，属于典型的非线性负载，必然产生非正弦电流，其谐波成份基本只与其固有的非线性特性及工况有关，而与这些负载外部阻抗的变化几乎无关。因此，这些都可以是谐波电流源。电力电子设备在运行时会在交流侧产生电流、电压谐波，并通过（电）导纳和辐射的形式影响邻近弱电系统和连接在同一电网耦结点的电气设备，产生不良的谐波效应。如变流器等非线性电力设备接在电网中使用时，它们不仅从电网中吸收有功功率和无功功率，同时也向电网注入谐波电流，而谐波电流在电网阻抗上产生的谐波压降，使电网
5、各点电压产生畸变，严重时会影响电网中其他设备的正常运行。在电力系统中，稳定电压、电流一直是人们追求的目标，即要求电力输出稳态的理想的正弦波型的电压和电流，但是，系统中存在着大量的各种非线性负荷，或者某些元件因运行区域的改变而呈现出非线性时变的负荷，系统中将产生高次谐波，即出现频率为基波整数倍的正弦电量，高次谐波与基波合成的结果，造成电网电压波形的畸变，其程度由谐波的频率和幅值决定。非线性负载吸收陡峭电流，而不吸收严格的正弦波电流，这些脉冲电流引起谐波电流，从而导致电压畸变和电压谐波，甚至在电力系统各部分产生更多的电流谐波。这种非线性元件的频率变换作用，是电力系统中高次谐波产生的重要机理。1.2
6、.2电力谐波的危害1）谐波引起谐振和谐波电流放大为补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处安装并联电容器。为提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。此外，为滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐振频率而言，系统的感抗大大增加，而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统特别是会对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。由谐波引起的事故中，这类事故占很高的比例。由参考文献可知，因谐波而损坏的电器设备中，电容器约占 40%，与其串联的电抗
7、器约占 30%。2）谐波对电网的影响谐波电流在电网上流动会产生有功功率损耗，它是电网线路损耗（简称线损）的一部分。一般来说，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但谐波频率高，在导线中集肤效应会使得谐波电阻比基波电阻大。因此，谐波引起的谐波附加线损也增大。谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，在另一些频率上向外发送有功功率。这些谐波有功功率通常是由从电网中吸收的基波有功功率转化而来的。谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害的。谐波源发出的谐波有功功率除造成线损外，也给接在电网上的其它用电设备带来危害，并增加功率损耗。3）谐波对电力计量的影响电力计量主要有电力测量仪表等，电力测量仪表
8、通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波出现时，将会产生测量误差。仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不同。事实上，有谐波时如何测量功率和电能等与收费直接有关的电量，这既是一个非常实际的问题，也是一个基础理论问题。这个问题和谐波标准密切相关，更为关键的是，它与存在谐波时的功率定义直接相关。美国电气及电子工程师协会（IEEE）曾成立了有关非正弦波形情况下计量仪表所受影响和功率定义的专门工作组，该工作组于 1996 年发表工作报告时指出，数字采样测量技术的发展正在突破各种技术限制，现在关键问题是缺少功率分解和定义的统一。不同的标准测量结果出入很大，这是涉及谐波影响实际计量领域中一个与用户利益有直接关联
9、的问题。这点会在在本文后续部分进行详细讨论。1.3 谐波抑制标准制定抑制谐波的标准是解决电力系统谐波危害和影响的重要措施。世界上许多国家都已制定了抑制谐波的国家标准或全国性规定。我国也先后于1984 年和 1993 年分别制定了抑制谐波的规定和国家标准。在国际上，各个国际组织，如国际电气电子工程协会(IEEE)，国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议 (CIGRE)也纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2（已在 1993 年废止并明确由IEC1000-3-2 代替）。近年来，国际上有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表。这一方面说明了
10、这一研究的重要性，另一方面也预示着这一领域的研究将取得重大突破。设备的使用者越来越关注电气谐波对电力系统及设备本身所带来的危害及不良影响，尽管在世界范围内相关的电气谐波标准尚未被强制执行，但由IEEE 及 IEC 制定的谐波标准已经引起了电力电子技术工业界的高度重视。在众多的谐波标准中最引人注目的是 IEC1000-3-2接入交流低压电网设备的电流限值，它已被采纳作为欧洲标准 EN61000-3-2。这意味着所有相电流小于等于 16A 的电力电子产品要在欧洲销售都必须服从这一欧洲标准，至今这一标准并未在世界范围内得到接受。但由于各种非线性电子设备的使用，使得谐波的污染正日益增强，为电力系统的运
11、行安全和减少谐波损失，电力电子设备的制造商正致力于生产满足国际谐波标准的相关产品。目前所有的谐波标准分成三大类：1）对用户及系统的限制标准，有 IEEE-519-1992、IEC1000-2-2和IEC1000-3-6等；2）对设 备 的 限 制 标 准 ， 有 IEC1000-3-2(16A 以 下 ) 、 IEC1000-3-4(1675A)及其它新的 IEEE 标准；3）谐波的测量标准 IEC1000-4-7。目前，只有 IEC1000-3-2 和 IEC1000-3-4 两个标准对个别谐波进行了限制，因而它对电力电子设备的设计影响最大。IEEE-519对个别谐波也作了限制，但它的主要目
12、的是限制系统节点PCC(point of common coupling)的谐波大小。由于在某些工业场合极难实现 IEC1000-3-4 标准，所以通常采用IEEE-519 作为设计准则来限制三相电力电子设备的谐波发送，这也反映了工业领域对三相谐波标准的强烈要求。1.3.1 IEC1000-3-2简介IEC1000 标准系列涉及到所有的电磁设备，其中IEC1000-3-2 是针对小型电气设备而制定的，它的重点放在公众的“低压”、“家用”的设备方面，对相电流小于或等于 16A的电气设备所产生的谐波做出了限制。该标准对谐波的限制分A，B，C，D四个等级，因为它所涉及的对象是应用最为广泛的，如整流装
13、置一类的功率电子设备，且电流波形较为特殊，因而它也是这当中最具争议的标准。表 1-1 列出了对D级设备的谐波限制标准，D级标准所规范的最大输入电功率为 600W。表中仅列出了对 13 次以下谐波的限制。表1-1 IEC1000-3-2对D级设备的谐波限制标准1.3.2 IEC1000-3-4 简介IEC1000-3-4 除涉及到单一设备的谐波限制标准之外，还涉及到整个系统的安装设备(包括单相及三相装置)的谐波限制标准，同时还考虑了短路比(short circuit current ratio)， 定义为最大短路电流与额定负载电流之比。表 1-2 列出了输入电流大于 16A 设备的谐波限制标准(
14、只列出了 13 次以下的谐波)。表1-2 IEEE-3-4对三相设备的谐波限制标准表 1-3 列出了IEC1000-3-4 对所有奇次谐波的限制值，该标准限制整个装置谐波最大不超过 20%，如果三相不平衡，则每相都应服从单相的谐波标准。表1-3 IEC1000-3-4对所有谐波的限制标准1.3.3 IEEE-519 简介为了防止设备产生的谐波电流回流到供电系统，并对其它用电设备产生不良影响，IEEE-519 对系统共同连接点的谐波电压和谐波电流加以规范，它把规范的目标放在包括电流和电压谐波在内的大功率商业及工业用户群。表 1-4 列出了 IEEE-519 对电压谐波的限制标准。表1-4 IEE
15、E-519对电压谐波的限制标准表 1-5 列出了低于 69kV的供电系统中，在不同的短路比条件下，其谐波电流值(表中数值为谐波的安培数)和总谐波畸变系数 (THD)值的限制，而偶次谐波限制在奇次谐波的 25%以下。从表 15 可见，电网容量越小，对谐波的限制越加严格。因此，按照电力电子装置容量与电力系统短路容量之比，正确选择主电路联结形式(等效相数、脉波数)和控制方式十分重要。表1-5 IEEE-519电流限制值2、无线电力传输谐波对计量的影响 由前面分析可知，无线电力传输设备中的变频器在工作过程中会产生谐波，进而对电网和周边设备带来影响。本章主要介绍谐波的定义和谐波对电能计量的影响，进而分析
16、无线输电过程产生谐波对计量的影响。2.1谐波的定义及性质波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系，使得波形偏离正弦波形发生畸变。当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率的整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅里叶级数。国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅立叶级数关于工程实际中出现的谐波问题的描述及其性质需明确下列几个问题：（1）所谓谐波，其次数 h 必须为基波频率的整数倍。如我国电力系统的额定频率为 50Hz，则基波频率为 50Hz，2 次谐波频率为 100Hz等。（2）间谐波和次
