本文討論了在低壓裝置中，光伏逆變器與LED燈之間通過諧波、間諧波、超諧波和閃爍的相互作用的不同方法。 單個電網連接的發(fā)電機和像LED燈這樣的電子負載可以很容易地用給定頻率范圍內的諧波來表征。 對這一主題的理解相對較好，已經制定了衡量和限制干擾的具體標準，以確保干擾概率較低。 然而，當連接在一起時，源和負載表現出需要進一步研究和理解的行為。 這項工作提出了一項討論，作為今后關于分析干擾對這一特定負荷和源相互作用的損失和其他影響的工作的指南。 考慮了以下幾點：LED負載和光伏逆變器的非線性；控制中使用的技術和方法；以及負載和功率生產變化引起的潮流變化。 指標術語-電力系統(tǒng)，電能質量，諧波，超諧波，太陽能。

導言

隨著不斷發(fā)展，新能源和消費設備的納入使得電氣環(huán)境變得越來越復雜，需要更廣泛地了解這些元素與電氣系統(tǒng)之間的相互作用。 在這種情況下，使用分布式能源，通常使用電力電子接口，越來越多地被探索作為大型和傳統(tǒng)發(fā)電廠供電的補充和替代。 此外，根據技術趨勢，與傳統(tǒng)負載相比，具有不同特性的電子負載是帶來巨大收益的系統(tǒng)的一部分，特別是在效率方面，甚至在電能質量方面。 然而，同時，他們可能會對電能質量提出新的關切。

即使考慮到對不久的將來悲觀的預測，光伏微網在低壓系統(tǒng)中的大規(guī)模存在也將是一個值得歡迎的現實。 隨著微型發(fā)電，我們將有LED燈出現在世界大多數家庭。 光伏逆變器和LED燈都使用高頻開關技術從不同階段（例如直流到交流或交流到直流轉換功率）。 原因是設備重量和尺寸的減少，以及控制可能性的增加。 結果是與傳統(tǒng)的功率轉換技術相比，設備更高效、更便宜。

目前，功率變換器和電子負載都使用拓撲和控制技術，具有一定的相似性。 此外，用于功率級轉換的正常器件，如SCR、BJT、TRIACS、MOSFETS和IGBTS，具有一定程度的非線性特性。 當這些設備與活動開關方法相關聯時(例如它可以導致高諧波電平。)

除了這兩個干擾源之外，我們通常在相同的低壓安裝中存在通信信號。 這些信號的存在引入了額外的頻率分量，使得對所有影響的分析更加復雜。 例如，眾所周知，使用電源線通信(PLC)連接到“清潔”電源的設備，頻率范圍為9-95k Hz的電流主要在相鄰設備之間流動，而不是在設備和電網[1]之間流動。 因此，這種發(fā)射的來源和發(fā)射在不同功率水平和頻率上的傳播目前是一個進一步調查的主題。

這一背景說明有必要深入研究電源、負載和通信系統(tǒng)之間的相互作用。 這些部分應該單獨研究以表征它們的排放，然后進一步研究不同的裝置被排列在一起來研究它們之間的相互作用。

這項工作解決了特定于低壓安裝LED燈和光伏轉換器的電能質量問題。 在這方面，這項工作將處理在這種設備存在下的低壓裝置中的光閃爍、諧波、間諧波和超諧波的影響。 第二節(jié)將簡要說明這些電力質量問題。 其中一些問題是一個相對較新的研究趨勢，對未來研究的一些指導已經開始，如[2]和[3]所述。 這種研究提出了巨大的挑戰(zhàn)，特別是因為有必要探索具有非線性響應、低可預測性和往往取決于瞬間天氣的變化的設備之間的相互作用。 本文概述了光伏逆變器與LED燈相互作用的三個方面的新情況和未來研究的所需方向：光伏逆變器和LED燈的發(fā)射（第三節(jié)）；光伏逆變器和LED燈對電壓擾動的敏感性（第四節(jié))；以及這些擾動在不同器件之間的傳播(第五節(jié)）。 最后給出了結論。

電能質量問題

根據最近的研究[4][5]、[6]，光伏逆變器和LED燈的使用會影響電力系統(tǒng)的效率，而且會降低最終用戶設備的效率和壽命。 對于這些設備之間的交互仍然缺乏理解。 考慮到這一情況，根據最初在[2]中表達的專家意見，將分析以下電力質量問題：

1)諧波和間諧波(頻率低于2千赫)；

2)超諧波(頻率在2至150千赫之間)；

3)燈光閃爍。

首個問題，雖然這方面的研究和開發(fā)已經進行了幾十年，但仍然值得關注，主要是由于廣泛使用使用使用高頻開關設備的調節(jié)電源。 這種裝置有機會限制諧波發(fā)射，但它們也可能使問題復雜化，并導致在過去相當不受發(fā)射的頻率上發(fā)射。 現代電力供應幾乎完全使用技術，其中由電源繪制的電流不是正弦[7]。 由于LED燈含有各種類型的電源，因此應從更廣泛的意義上探討這一問題。

第二個問題是最近對電能質量的關注之一。 超諧波已成為研究人員的重要課題，并已開展了相關工作。 根據[8]的Lundmark，這一擔憂上升的主要原因是使用有源開關的轉換器激增，導致頻率范圍2至150k Hz的發(fā)射水平增加。 有趣的一點是，諧波和超聲調之間存在著聯系，盡管這是一種主要的非技術連接。 一個可以說明這一點的例子是，IEC61000-3-2對大于25W的燈具的諧波發(fā)射施加了限制。 解決這一問題常用的技術是使用有功功率因子校正，解決了低頻諧波發(fā)射的問題，但在較高的頻率范圍內會產生更多的發(fā)射。 因此，標準化的結果是發(fā)射從諧波范圍移動到超諧波范圍。

電網中存在高水平的諧波、間諧波和超諧波，會產生一些后果。 設備端子(如LED燈和光伏逆變器)的諧波電壓畸變會產生一些不利后果：

· 業(yè)績減少或損失增加；

· 壽命縮短，往往是由于熱點的形成；

· 干擾設備的性能，例如。 當控制系統(tǒng)被多個零交叉的出現所混淆時。

諧波電流可能對電網中的串聯元件如變壓器產生不利影響。 還應該指出，在涉及低次諧波的情況下，大多數公共網絡的電壓和電流失真水平都在很大程度上受到控制。 因此，對諧波的干擾是非常罕見的。 主要問題是網絡運營商將諧波電壓保持在監(jiān)管或內部限制范圍內，客戶將諧波電流保持在限制范圍內。

對于間諧波和超諧振，標準中沒有監(jiān)管限制，幾乎沒有適用的限制，因此對設備的實際和預期影響的討論仍然很多。

前面提到的三個問題中的最后一個與LED照明中的閃爍有關。 在白熾燈中，燈閃爍是由于rms電壓的快速變化所致。 對于熒光燈，圍繞三倍諧波的諧波也會導致光閃爍。 對于LED燈，燈閃爍問題變得更加復雜。 根據[9]，LED照明有時在可能引起生物人類反應的頻率上顯示閃爍。 在諧波和超諧波范圍內，不同類型的波形失真會導致LED燈的閃爍。 它將取決于電路的設計，其中這種閃爍的諧波含量可能從不明顯到高度干擾到人類的觀察。 在下一節(jié)中，我們開始討論這些電能質量擾動的發(fā)射。

干擾

為了開始討論這個問題，我們提出了以下問題：光伏逆變器和LED燈中的電力電子學如何影響電流中的諧波、間諧波和超諧波？

與Larsson等人進行的工作類似。 在熒光燈的[10]中，解決這一問題的一個建議是首先測量和量化LED燈和光伏逆變器在設備終端上單獨引入的發(fā)射。

早期的論文，[11]和[12]，已經提出了來自燈具和逆變器的發(fā)射。 市場上大量的不同類型使得需要一種系統(tǒng)的測量方法，涉及大量的類型。

一個不同的LED燈和光伏逆變器的集合必須評估涵蓋廣泛的技術。 測量的結果應在時間和頻域上提出和分析，以全面了解所涉及的幅度和頻率。 同時，有必要研究拓撲設計，將從單個測量中發(fā)現的頻率與設備之間的技術差異聯系起來。 這包括評估有源功率因數校正(APFC)的特點，開關級，整流二極管，散裝電容器和EMC濾波器存在于某些設備。 必須指出，鑒于市場上燈具和逆變器種類繁多，有些階段有時被一些制造商最小化甚至忽略。 例如，LED燈具中的EMI濾波器就是這樣，有些燈具沒有配備[11]。 此外，還必須評估源阻抗的影響，因為當阻抗偏離用于符合性測試的參考阻抗時，符合EMC標準的設備仍可能顯示高發(fā)射。 關于逆變器，已經開展了一些工作。 作為一個例子，我們可以引用Wang等人所做的工作。 在[13]中，光伏逆變器的諧波發(fā)射取決于它們的工作條件。 如果輸出功率降低，就會發(fā)出更多的諧波。 隨著功率從1515W降低到116W，電壓THD從3.65%增加到18.13%。 當以安培表示時（而不是以基波電流的百分比表示），諧波含量從461mA下降到175mA(假設120V系統(tǒng)和單相連接)。

同樣，[12]研究了不同額定功率(從1kVA到100kVA)的多個逆變器的諧波發(fā)射。 結果表明，低次諧波主要有5次和7次th電流和電壓的諧波。 所有逆變器在其開關頻率上都有顯著的發(fā)射。 在本研究中，觀察到以下開關頻率：大型逆變器(100kVA)和10kHz、16kHz和25kHz的小逆變器(1kVA到10kVA)的3kHz)。 [14]，分析了輸出電流電平對單相光伏系統(tǒng)饋入電網電流畸變的影響。 通過對比例控制器(PR)、重復控制器(RC)和多諧振控制器(MRC)及其聚合的建模，說明了該控制如何影響諧波發(fā)射。 結合這些方法，逆變器可以有效地抑制諧波，即使在不同的運行條件下。 考慮到現在的沖擊，[12]，我們可以看到一個明顯的發(fā)射范圍在40k Hz到80k Hz之間的例子，由窄帶電力通信系統(tǒng)(PLC)引起)。 此外，在LTU，已經做了研究，以了解超拉曼學在當地低壓系統(tǒng)中的傳播。 在56WLED路燈的連接點進行了兩種不同環(huán)境下的光譜測量。 從結果來看，發(fā)射是強烈的位置依賴性的，如圖所示。 1.

1：排放，9至150千赫，在實驗室環(huán)境（紅色)和工業(yè)設施(藍色)車間測量）。

另一方面，關于LED燈的影響，作為一個例子，我們可以引用Ronnberg等人進行的工作。 在[15]，住宅小區(qū)的燈具（主要是白熾燈）被LED燈取代，更換前后對完整安裝的諧波發(fā)射進行了評價。 測量結果清楚地表明，由于更換燈具，整個裝置的排放水平沒有重大變化。 由于在LED燈具中存在APFC而產生的排放是需要評估的重要點。 通過IEC61000-32對諧波發(fā)射進行調節(jié)，通常大于25W的燈具安裝APFC以滿足發(fā)射要求。 從一些初步的實驗表明，APFC可以很好地最小化諧波發(fā)射，但同時也會在超調量范圍內產生失真。 無花果。 給出了在LTU實驗室分析的兩個帶和不帶APFC的LED燈的電壓和電流波形的例子。

2：電壓（藍色)和電流(橙色）波形繪制的燈與沒有APFC（分別上和下）。

上面的波形是從一個63WLED燈（工業(yè)用途）。 電流是相當正弦的，除了在零交叉周圍的一些小偏差和在電流的正負峰值處的小失真。 這種失真包括來自APFC中開關的遺骸，并出現在超拉曼范圍內。 對于一個7WLED燈，在沒有APFC的情況下，得到較低的波形，其中電流波形在較低的頻率范圍內失真。 無花果。 顯示兩盞燈的頻譜。

3：圖所示電流波形的諧波光譜。 2. 63W燈（上部）和7W燈（下部）。

在VTHD1.98%時，63WLED燈的總諧波電流畸變率(ITHD)為10%，位移功率因數(DPF)為0.985。 測量7W燈的ITHD為78%，DFP為0.858。 為了評估諧波和間諧波，需要開發(fā)仿真模型并進行實驗室測量。 對于超諧振，應考慮器件之間的相互作用，以驗證可能的共振所造成的影響，特別是當它可能導致高壓畸變水平時。

敏感性

關于這個問題，我們提出了一個問題：終端電壓中的諧波、間諧波和超諧波是如何影響光伏逆變器和LED燈中的電力電子學以及LED燈的光強的？

在這方面，已經采取了重要的研究舉措，主要涉及LED燈具。 這些研究旨在了解電壓畸變等現象對LED燈具和其他照明設備的影響。 研究了超諧波(2~150k Hz)和諧波(0~2k Hz)的影響，并對功率因數校正電路的影響進行了研究，[10]得出了結論。 以魯萊亞理工大學低壓實驗室3WLED燈為例，分析了超拉蒙學對照度的影響。 為了驗證磁化率，將照度與正常電壓波形中添加的高頻失真進行了比較，并對其進行了比較。 無花果。 4顯示燈在正常條件下的實驗結果。 沒有增加高頻失真)。

 4：正常條件下的照度（不增加高頻失真）。

高頻失真，記錄在一個商業(yè)機構，然后疊加在電壓電源電壓波形上，包含頻率分量存在于2至150kHz頻率范圍的中間。 對于附加高頻失真的情況，實驗結果如圖所示。 5.

 5：亮度增加高頻失真。

結果表明，高頻失真對LED燈具的影響。 在高頻失真的測試信號下，照度增加。 然而，這種行為并不一致。 部分燈具照度下降。 這種行為的差異是由于燈的電氣設計的差異。 對于光伏逆變器，應進行類似的實驗。 有必要知道諧波和超諧波對該設備的壽命損失和效率損失有多大的影響。 對于光伏逆變器來說，不同頻率對設備性能和壽命的影響從未得到很好的研究。 這樣的調查的一個很好的出發(fā)點是探討以下研究課題：

· 不同頻率范圍的傳導發(fā)射對功率級效率的影響，特別是對常用的元件，如IGBT、變壓器、二極管和電容器；

· 來自PLC的頻率對設備運行可能干擾的效率和評估的影響；

· 在設備受到任何干擾（無論是效率、壽命損失還是可能的故障）影響之前，評估傳導和輻射發(fā)射的可接受限值。

進行本研究課題，應考慮使用仿真軟件和實驗室設施，配備各種光伏逆變器和LED燈具。 主要目標是探索設備如何受到排放的影響。 此外，有必要有可用的設備和部件來組裝電源開關階段，以便研究上述主題的具體部分。

傳播

對于這個問題，問題是：在同一個低壓安裝中，諧波、間諧波和超諧波是如何從一個設備傳播到另一個設備的？

這一專題包括取決于一天中的時間、地點和設施中其他設備的詳細情況的統(tǒng)計問題。 包括所有這些都是一個巨大的挑戰(zhàn)。 首先，需要解決電壓畸變對諧波和間諧波發(fā)射的影響，并了解它們是如何通過低壓裝置傳播的。 必須執(zhí)行大量的相關性來識別相互作用，主要是為了識別與排放相關的產生高失真水平的組合。[16]的實驗結果表明，諧波沖擊強烈地取決于逆變器的類型和混合，以及它們的工作條件。 此外，結果表明，混合不同類型的逆變器可以稍微減少組合THD的安裝作為一個整體。

關于supraharmonics，根據Hankaniemi等人的說法。 [17]它們的流動主要發(fā)生在單獨的設備之間，而不是進入網格。 這一點后來被其他幾項研究證實和解釋。 幾項研究還表明，連接到電網上的個人設備對超拉門子發(fā)射有很大的影響。

一種可能的方法，以減輕蔓延的支持是改進設計低壓裝置。 這包括評估配電變壓器在擴展這種頻率和接地平面拓撲中的作用。 一個建議是開始這個研究主題，在[8]由Lundmark進行的工作中增加研究元素。 對差動模式電流的研究可以進一步評估，以了解低壓設施的配置如何可以減輕超拉門音的傳播。 此外，評價PLC的使用，是一個重要的探索點。 考慮到這一點，一個想法是開始研究使用模擬模型來評估不同設備之間的相互作用及其對傳播的影響。 其次，在設備和設施的可用性下，可以在實踐中進行交互，研究不同參數變化對交互的影響。 這包括評估不同情況下的電力生產和負荷變化。 在研究中還必須包括超聲調對中性電流（零序分量）和單個諧波階數的影響。

結論

從前幾節(jié)強調的問題可以很容易地看出，在不久的將來，仍然存在著足夠的研究挑戰(zhàn)，特別是關于超諧波的挑戰(zhàn)。

只要它們保持在一定值以下，電網中非正弦電壓和電流的一般存在就不是一個問題。 一旦超過這一數值，情況就會令人擔憂。 了解和量化不同頻率失真是如何產生和傳播的，對于能夠估計超過這些值的風險至關重要。 也不是總是清楚的以上價值扭曲變得令人擔憂。 雖然電力損失的影響在理論上是眾所周知的，但仍然有必要更好地量化這些現象對并網設備效率損失和壽命損失的影響。

本文提出了一些研究人員應該解決的問題，以研究光伏逆變器和LED燈之間的相互作用。 正如我們所看到的，電力系統(tǒng)諧波中有一些問題是相對較新的，盡管其中一些已經被調查，即使是那些仍然需要大量的進一步研究。 這就是supraharmonics的情況，在描述他們在不同情況下的行為，建立標準化的測量方法，以及設置設備的干擾和豁免限制方面有更具體的需求。