諧波污染對載波通信的影響及抑制措施

【摘要】 隨著人民生活水平及工業(yè)、農(nóng)業(yè)水平的提高，豐富多彩的用電設(shè)備進入電網(wǎng)。種類繁多的用電設(shè)備，設(shè)計水平參差不齊，其中比較重要的一點表現(xiàn)在諧波污染控制水平，好的產(chǎn)品設(shè)計能良好抑制諧波的擴散，而差的產(chǎn)品無法有效抑制諧波，造成電網(wǎng)上諧波水平偏高，嚴重影響到電力線載波通信的可靠性及安全性。文章對電力線上的諧波污染的來源，特性及對電力載波的影響做了詳細的分析和研究，同時，從載波模塊設(shè)計的角度，對諧波干擾的抑制提出了幾種改進措施。采用文中諧波抑制技術(shù)的載波模塊已經(jīng)在現(xiàn)場小批量并長時間使用，抑制效果顯著，對載波模塊的設(shè)計有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】 電力線載波（PLC） 諧波污染 TVS 耦合電感 磁隙

理想的供電電網(wǎng)應(yīng)該提供具有標準50/60Hz正弦波特性的電壓。但是現(xiàn)實中的電網(wǎng)會或多或少受到諧波的影響而偏離正弦波形。諧波是指頻率在50/60Hz的整數(shù)倍的正弦波，因為頻率較50/60Hz高，也成為高次諧波。高次諧波由非線性的電氣設(shè)備工作時產(chǎn)生。電網(wǎng)中的高次諧波，除了帶來大家所熟知的各種附加損耗，縮短電器設(shè)備壽命等經(jīng)濟損失外[1]，對當今日益普遍應(yīng)用的電力線載波也帶來了很大的影響，表現(xiàn)為通信距離降低，甚至損壞模塊元器件。在載波模塊設(shè)計時，必須考慮這些問題。

一、諧波污染的來源及特性

當前諧波污染的主要來源有以下幾種：

1、工業(yè)設(shè)備：變頻調(diào)速裝置、電弧爐、大型電機設(shè)備、逆變器等；

2、農(nóng)業(yè)設(shè)備：變頻控制的抽水機、卷揚機及大型電動交通工具的充電設(shè)備；

3、商用設(shè)備：復(fù)印機、大型空調(diào)機各種商用電氣設(shè)備等；

4、家用電器：電視機、空調(diào)、電子式熒光燈鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源及電動車充電設(shè)備等。

此外還有一些公共設(shè)備，如電子式鎮(zhèn)流器的公共路燈，采用開關(guān)電源的有線電視中繼器及大型廣告設(shè)備等。

以上這些設(shè)備產(chǎn)生的各種諧波，如果在設(shè)計中沒有很好的加以控制，將通過各種途徑注入公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)的波形發(fā)生畸變。如目前在很多家庭使用的電動車充電器設(shè)計良莠不齊，再加上使用的元器件質(zhì)量問題，在一定情況下，其接入電網(wǎng)的一定范圍內(nèi)會產(chǎn)生極大的諧波脈沖。圖1為在某充電器工作時的電網(wǎng)波形。

可以看到，50Hz的波形在諧波污染源附近已經(jīng)發(fā)生了很大的畸變，諧波脈沖幅度非常大，甚至可以超過電網(wǎng)電壓！對諧波進行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，諧波的頻率分量主要集中在55kHz及其偶此諧波范圍內(nèi)，實際上這也是大多數(shù)開關(guān)電源的工作頻率。為方便分析，我們重建了該充電器的電路模型，用EDA工具仿真其波形及頻譜，如圖2。

可以看到，該充電器發(fā)出的強干擾基頻在55k左右，然后是其3次諧波、5次諧波…考慮到電力線本身的特性，最影響載波設(shè)備工作的頻率分量在其基波及3次諧波，5次以上的諧波由于受到電力線的衰減，短距離內(nèi)幅度和能量都會被衰減到很小，但是5次諧波以上的干擾會通過空間輻射發(fā)射出去，影響到附近的中波接收設(shè)備。

二、諧波污染對電力載波通信的影響

電網(wǎng)的諧波污染，除了會造成很多電器的控制單元失靈，傳感器誤報，用電器具工作時常等問題[1]外，對于電力線載波的影響也是非常嚴重的：

2.1對通信過程的影響

常見的諧波污染，由于其頻譜范圍在50-120kHz，對于在CENELEC A波段的載波，會造成直接的干擾，尤其是對于單載波通信，會對通信造成無法恢復(fù)的破壞，即使是多載波的OFDM方式，甚至是通信波段在120kHz以上的載波通信，也會造成載波電路的輸入回路發(fā)生幅度飽和，從而使電網(wǎng)上正在運行的載波通信收到嚴重干擾，表現(xiàn)為丟包率升高甚至完全不通。

2.2對物理器件的影響

諧波干擾，會通過載波的耦合電路，直接注入載波的輸入/輸出電路，對載波電路的工作造成影響。如：對輸入回路，強大的脈沖輸入會被芯片輸入端吸收，盡管芯片的輸入IO都有二極管保護，但是，過大的脈沖電流會造成芯片溫度升高，嚴重的甚至燒毀芯片，如圖3（a）所示。對于輸出回路，由于末級一般是低阻抗回路，倒灌的脈沖電路會導(dǎo)致末級功率管異常打開，如圖所示，在電源電壓的聯(lián)合作用下，造成末級功放管過熱甚至燒毀。如圖3（b）所示。

三、電力線載波模塊對諧波污染的抑制措施

3.1 TVS抑制

瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor），簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件，它基于雪崩擊穿的原理，當TVS兩端受到瞬間的高電壓沖擊時，它能在納秒量級時間內(nèi)，將端的高阻抗變?yōu)榈妥瑁崭哌_數(shù)百到數(shù)千瓦的浪涌電流，并使TVS兩端的電壓鉗位于一個預(yù)定值上，從而有效保護其后的電子線路免受各種浪涌脈沖的損壞。

值得注意的是，近年來有公司開發(fā)出一種基于可控硅的TVS[2]，利用的是可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通原理，反應(yīng)速度更快，使用壽命更長。原理如圖4所示。

這種瞬態(tài)電壓抑制器件有個缺點：可控硅在導(dǎo)通后，必須在工作電流歸零后才能恢復(fù)正常狀態(tài)，因此在某些情況下，導(dǎo)通后的器件對正常信號也構(gòu)成一定的破壞。因此，這種TVS一般要選用較高的導(dǎo)通電壓。

3.2濾波網(wǎng)絡(luò)抑制

采用在載波回路增加濾波回路的辦法，既可以增加輸入/輸出回路的選擇性，又可以抑制工作頻率外的干擾。但是由于需要的元件耐壓較高，且電路容量要大，所以元器件體積都較大，難以實現(xiàn)更高階的濾波效果。一個為中心頻率為315kHz，帶寬50kHz的OFDM載波輸入輸出回路設(shè)計的4階高斯濾波回路機器頻率響應(yīng)如圖5。

可以看出，采用如上圖所示的濾波回路后，可以有效地去除低頻段（0-200kHz）的信號。需要指出的是，對于抑制工作頻帶內(nèi)的噪聲脈沖，濾波器無能為力，一般必須與TVS結(jié)合使用，如圖6（a）所示。

3.3改進的耦合電感抑制

對于一個如圖6所示的耦合電感，

其中，M為兩個線圈間的互感。可以看到，線圈端口的電壓由自感電壓和互感電壓疊加構(gòu)成。信號通過互感的方式通過耦合電感，到達另一側(cè)。

在工程上，為了定量描述兩個線圈的耦合程度，定義參數(shù)耦合因子k：

耦合因子k與線圈結(jié)構(gòu)，相互位置及磁介質(zhì)有關(guān)，改變線圈的結(jié)構(gòu)，相互位置和磁介質(zhì)等都可以改變耦合因子的大小[3][4][5][6]。

通常的載波模塊上都采用磁環(huán)結(jié)構(gòu)的耦合電感，由于耦合電感磁芯截面積有限，當流過器件的電流很大時，會發(fā)生磁飽和，此時輸出電壓不再隨著輸入電壓變化，造成輸出波形的失真。為了避免出現(xiàn)這種情況，一般在磁環(huán)上開一個磁隙，由于磁隙與磁環(huán)體本身導(dǎo)磁率不同，使磁滯回線傾斜，使其彎曲曲線延伸到更大的磁場強度區(qū)域，從而減少磁飽和的發(fā)生。在載波電路中，為了盡可能耦合載波信號，又要盡可能抑制帶外信號，還需要盡可能減少PCB上元器件的數(shù)目和體積，通過改變線圈結(jié)構(gòu)和位置，并在磁環(huán)上開一個磁隙，如圖8所示，可以良好實現(xiàn)這些目標。磁環(huán)增加氣隙后，內(nèi)部的磁路將發(fā)生改變，相關(guān)的數(shù)學(xué)分析較復(fù)雜，可參考文獻[7][8][9]，如果再考慮磁環(huán)上線圈的位置的變化影響，很難建立一個準確的數(shù)學(xué)模型并加以分析，在實踐中，我們采用了逐步改變參數(shù)，同時用網(wǎng)絡(luò)分析儀實際測試的方法。下圖是在簡單的外部元件配合下，不同磁隙寬度情況下的耦合電感頻率響應(yīng)。

由圖7的曲線可以看到，帶磁芯的耦合電感，配合簡單外圍電路，1、隨著磁隙寬度的增加，耦合因子降低，帶內(nèi)衰減有所增加，但是在可以接受的范圍內(nèi)；2、不必增加額外的元器件，便具有了帶通的效果，不僅可以避免低頻的諧波污染，對高頻段的干擾也有一定的抑制作用；3、隨著磁隙寬度增加，帶通濾波器頻率范圍升高，帶內(nèi)損耗增加。

需要注意的是，磁隙寬度不能任意增加，磁隙過大，漏磁會增加，而且插入損耗增加，并且漏磁還會影響周圍的電路。最終我們采用了0.2mm磁隙的磁環(huán)。

四、抑制效果分析

4.1抑制效果的實驗室驗證

為了測試諧波污染的抑制效果，我們在實驗室用用FPGA，采用AWG技術(shù)（任意波形發(fā)生器）搭建了諧波污染源，經(jīng)驗證，輸出波形及頻譜特性與典型的電動車充電器諧波污染類似。為保證各種改進措施測試條件的一致性，我們在實驗室用同一污染源對三種輸入/輸出回路做了測試：（表1）

4.2現(xiàn)場試掛結(jié)果

在山東某地的60多個過熱問題較嚴重的點，這些點都有變頻式卷揚機，劣質(zhì)家庭用大功率電動三輪車充電器等用電器具。蹲點監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，之前未采用改進措施的載波模塊，在這些點上的用電器具工作時，模塊都會發(fā)生過熱現(xiàn)象，一些模塊外殼溫度超過70度，甚至外殼變形，少數(shù)嚴重的點，載波模塊內(nèi)部電路燒毀。采用上述兩種改進方案的OFDM載波方案的模塊后，在這些點試掛各30只，使用8個多月，并在這些用電器具工作時蹲點監(jiān)測，再無過熱情況出現(xiàn)。

五、結(jié)語

本文對電力線諧波污染的來源、特性及抑制措施作了詳細的論述。其中的TVS抑制措施已經(jīng)廣為認知，但是使用效果存在不足。濾波網(wǎng)絡(luò)措施可以較好抑制諧波，但是會增加一定的成本開銷。氣隙耦合電感的使用，比較完美地解決了諧波抑制和耦合效率及靈敏度的矛盾，在實踐中取得了良好的使用效果，為載波模塊設(shè)計提供了一個參考。當然，本文提出的解決思路僅是針對當前實際情況下的應(yīng)對措施。最終的解決方式還是希望電網(wǎng)管理部門與其他有關(guān)部門逐步完成針對諧波污染的立法[10][11][12]，切實規(guī)范各種用電器具的諧波發(fā)射水平，還電網(wǎng)一個“清凈”。

參 考 文 獻

[1]李明強， 王杰， 王雙， 諧波對電網(wǎng)影響的探討與研究，《供用電》 第22卷第5期，2005年10月

[2]上海維攀電子WP61300x High Property Device for Surge Overvoltage noise Protection

[3]梁秀敏，于鵬，基于低壓電力線載波通信的耦合技術(shù)研究，《裝備制造技術(shù)》2009年第三期，p35.

[4]蔡紅娟，賀良華，基于低壓電力線通信的信號耦合電路設(shè)計，《電力科學(xué)與工程》，2007年3月，第23卷第1期。

[5]李建歧，胡嵐，米碩，低壓電力線載波通信寬帶耦合技術(shù)及其裝置，《電力系統(tǒng)通信》，2004年第四期。

[6]李剛，仲元昌，低壓電力線載波通信的耦合電路分析，《重慶大學(xué)學(xué)報》，2004年3月，第27卷第3期。

[7] Fermín A. Holguín， Rafael Asensi， Roberto Prieto， José A. Cobos， Simple analytical approach for the calculation of winding resistance in gapped magnetic components， IEEE.

[8] Fermín A. Holguín， Roberto Prieto， Rafael Asensi， José A. Cobos， Power Losses Calculations in Windings of Gapped Magnetic Components， IEEE.

[9] CHEN Wei， HUANG Xiaosheng， ZHENG Juanjuan， Improved Winding Loss Theoratical Calculation of Magnetic Component with Air-gap， 2012 IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference - ECCE Asia June 2-5， 2012， Harbin， China.[10]蘆偉，電網(wǎng)中諧波的監(jiān)督管理及限制諧波的標準，《甘肅科技》， 2003年11月，第19卷，第11期。

[11]林海雪，國外諧波電壓標準介紹，中國電力科學(xué)研究院 北京 100085

[12]林海雪，幾種國外諧波電壓標準的分析， 《供用電》， 2008年6月，第25卷第3期。