谐波标准评述

谐波标准评述

解绍锋1,2，李群湛1

（1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.铁道第一勘察设计院电化处，陕西西安710043）

摘要：通过对关于谐波的三个国际标准和技术文件——IEC61000-3-6、G5/4和IEEE Std519-1992从几个方面进行了对比分析，包括系统规划水平、用户谐波发射限值的分配方法、评估方法和电力系统谐波阻抗，为掌握目前国际上谐波标准的发展动向提供帮助，为提高我国谐波标准的科学性提供参考。

关键词：谐波；IEC61000-3-6；G5/4；IEEE Std519-1992

0引言

随着电力电子技术的迅速发展，特别是冶金、电力牵引和高压直流输电等领域采用大功率电力电子器件，产生了大量谐波注入电力系统，使电网中的谐波电压水平逐年增高，并引起了一系列问题，如局部谐波共振、有功损耗加大、并联电容器过热和损坏、计量误差、继电保护装置误动等。为了保证系统设备的安全和电网的安全运行，必须对注入电力系统的谐波加以限制，主要手段之一即制定相应谐波标准。

限制电力系统谐波水平主要通过限制用户的谐波发射水平来实现，而限制用户谐波发射水平的依据是相关谐波标准。制定谐波标准时应根据电网的实际情况，并遵循对电网和用户公平的原则。合理的谐波标准能使用户谐波发射水平受到限制，减少谐波的不良影响，保证电网的安全运行，提高供电质量。若制定的标准过于宽松，就可能造成谐波水平严重超过电力系统的承受能力，引起供电质量下降；反之，则可能使非线性用户即使采取技术措施也难以达到制定的标准，造成不必要的浪费。由于目前各国对高压电力系统认识的一致性远低于低压电力系统，因此本文主要针对高压电力系统进行讨论。

目前很多电力电子和电力工程领域的国际组织均成立了专门的机构对谐波进行广泛深入的研究，如国际电工委员会（IEC）、英国电力协会（EA）和美国电气与电子工程师学会（IEEE）。

作为管理谐波国际技术标准的机构，IEC陆续出版了IEC61000电磁兼容系列标准和技术报告，其中涉及中高压电网谐波及其限值的是IEC61000-3-6[1]，其性质为第3类技术报告。IEC61000-3-6主要以CIGRE的2个文件[2-4]为基础制定而成，其最主要的特点在于设置了电力系统任意一点兼容水平，并指出规划水平要低于兼容水平。我国已经将IEC61000-3-6等同采用为GB/Z17625.4-2000[5]。

英国是对电力系统谐波问题认识比较早的国家之一。英国早在1976年就颁布了Engineering Recommendation G5/3作为对电力系统谐波限制标准之一[6],为我国和其它国家的谐波标准制定提供了实际经验，具有很大参考价值。我国的GB/T14549-93就是在参考英国的G5/3基础上制定的[7]。另外，英国基于G5/3于2001年正式颁布了Engineering Recommendation G5/4[8]。与G5/3相比，G5/4在高压电力系统谐波规划值和新用户接入电网的评估方法方面均有所变化。

美国IEEE工业应用协会自1973年起开始制定谐波标准，并于1981年发布了第一版IEEE Std519-1981“IEEE Guide for Harmonic Control and Reactive Compensation of Static Power Converters”[9]。1986年电力工程师协会加入到工业应用协会，并将IEEE Std519-1981由“导则”更新为“推荐惯例”。这就是目前国际上广泛使用的IEEE Std519-1992“IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”[10]。

鉴于上述三个有关谐波的技术文件均有比较广泛的应用，具有一定的代表性，因此将这三个谐波技术文件做一比较分析将有利于掌握目前国际上有关谐波的最新研究成果和谐波标准的发展动向，为提高我国谐波标准的合理性提供参考。1规划水平

1.1IEC61000-3-6

表1IEC61000-3-6总谐波电压畸变率（THD）规划水平公共连接点（PCC）电压U n≤35kV35kV

谐波电压含有率均有细致规定，详见文献[1]。1.2G5/4

表2G5/4总谐波电压畸变率（THD）规划水平

PCC电压U n=0.4kV U n=6.6、11和20kV20kV

1.3IEEE Std519-1992

表3IEEE Std519-1992谐波电压畸变限值

公共连接点母线电压U n≤69kV69kV

总谐波电压畸变率(%) 5.0 2.5 1.5 IEEE Std519-1992将所有单次谐波一视同仁，规定其含有率为相同值，与IEC61000-3-6和G5/4相比稍显粗略。另外，电力系统异常运行状态下总谐波电压畸变率允许超过限值50%。

从表1～3数据可以看出IEC61000-3-6规定的低压系统THD值较高，而IEEE Std519-1992规定的高压系统THD值较低，G5/4规定的低压系统和高压系统的THD值处于IEC61000-3-6和IEEE Std519-1992之间。与G5/3相比，G5/4对66kV及以下电压等级电网的THD值的规定基本无变化，对66kV以上电压等级电网的THD值由1.5%放宽到3.0%。

2谐波发射限值分配方法

2.1IEC61000-3-6

在用户谐波发射限值的分配原则上，IEC61000-3-6认为由于用户协议容量通常与其承担的电力系统投资份额相一致，所以根据用户协议容量和用户接入电力系统公共连接点处供电容量之比分配发射限值是合理的[11-14]。对于公共连接点的供电容量，IEC61000未做详细规定，这就造成了理解上的误差。目前主要有两种观点：一种认为供电容量一律采用全部供电设备容量计算，用户的备用设备容量也应计入协议容量[11,12]；另一种认为供电容量应按照系统最小短路容量下的供电容量计算，而用户的备用容量不应计入协议容量[13,14]。

IEC61000-3-6指出，在分配用户谐波发射限值时，还应考虑多个谐波源叠加规律。IEC61000-3-6规定的第二种叠加法则中，5次以下谐波为线性叠加，10次以上谐波为正交叠加，5～10次谐波的叠加指数为1.4。另外，当已知谐波可能是同相（即相角差小于90〇）时，对5次以上谐波应该令叠加指数为1.0。

IEC61000-3-6同时指出同一电网中的多个畸变负荷可能不在同一时刻达到畸变峰值，因此多个畸变负荷之间存在同时率问题。同时系数包括三种：由同一配电变压器供电的中压畸变负荷和低压畸变负荷的同时系数；同一中压系统畸变负荷同时系数；同一高压系统畸变负荷同时系数。根据IEC61000-3-6定义的用户谐波发射限值分配算法，当用户协议容量和用户接入系统的公共连接点处供电容量之比不变时，系统中的畸变负荷之间的同时系数对畸变负荷分配到的谐波发射限值产生影响。考虑畸变负荷之间的同时系数有利于充分利用电力系统的承受谐波能力，对特殊的波动性较强的畸变负荷产生较大影响[15,16]。2.2G5/4

G5/4在对新负荷接入系统进行评估时，未考虑系统公共连接点的供电容量和用户协议容量之间的关系，而是根据系统背景谐波的情况分为两种情况进行评估。当系统背景谐波低于各次谐波规划水平的75%时，如果所有非线性负荷设备总的谐波电流发射低于其规定的限值，则配电公司可以接入用户设备；系统背景谐波高于各次谐波规划水平的75%时，如果预测THD值和5次谐波畸变值小于等于其规定限值，则配电公司可以接入用户设备。

G5/4在计算预测电压畸变过程中，对不同次数谐波的叠加做了一些假设：对5次以下包含5次谐波、三次谐波序列和测量值最大的谐波次数，假设准备接入负荷的谐波与系统背景谐波同相，因此对这些次数谐波求和时应按照线性叠加；对其它各次谐波以及不同相的情况，则假设准备接入负荷的谐波与系统背景谐波的相角差为90º，因此对这些次数谐波求和时应按照正交叠加。

在G5/4的第3级评估中，提出对波动非线形负荷进行谐波评估时应考虑其特殊的时间持续特性，同时提到工程推荐标准P24《交流牵引供电》建议取峰值为1分钟平均值考虑[17]。如果涉及到多个牵引供电点，在与相对稳定的背景谐波水平计算求和之前，对每个供电点谐波影响的评估，应考虑到各个牵引负荷电流配合的程度和谐波分量之间的相位差。

2.3IEEE Std519-1992

IEEE Std519-1992认为谐波电压是谐波电流和系统阻抗的函数，而谐波电流的大小与用户的