Interharmonische Störungen – die Netzqualitätsstörung, die bei Standard-Oberschwingungsanalysatoren nicht auftritt
| Definition | Frequenzkomponenten, die KEINE ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung sind – z.B. 75 Hz, 130 Hz, 267 Hz auf a 50 Hz-System |
| IEC-Definition | IEC 61000-2-1: “Zwischen den Harmonischen der Netzfrequenz Spannung und Strom, Es können weitere Frequenzen beobachtet werden, die keine ganze Zahl der Grundfrequenz sind” |
| Klassische Quellen | Zyklokonverter · Lichtbogenöfen · AC/DC-Antriebe mit variabler Drehzahl · Induktionsöfen · Pulsierende Lasten, die nicht mit der Grundschwingung synchronisiert sind |
| New DER sources | PV-Wechselrichter (Welligkeit des MPPT-Algorithmus) · Windkraftanlagen (Schlupffrequenz) · Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (Schaltasymmetrie) · HGÜ-Wandler (Wechselwirkungen im Regelkreis) |
| Gefährlichster Effekt | Flimmern – eine Interharmonische mit der Frequenz fICH H erzeugt Spannungsflimmern mit der Schwebungsfrequenz |fICH H - 50| Hz. Bei einer Schwebungsfrequenz von 0–15 Hz, Das Flimmern liegt im Bereich der höchsten menschlichen Sehempfindlichkeit |
| Feldfall | NS-Installation mit PV-Panel + Ladegerät für Elektrofahrzeuge + Mikrowelle – der gleichzeitige Betrieb erzeugt stochastische Zwischenharmonische, die Lichtflimmern und Spannungsschwankungen im DC-Bus verursachen |
| Messproblem | Standard-FFT-basierte harmonische Analysatoren (IEC 61000-4-7) gehen von ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung aus – sie interpretieren Interharmonische fälschlicherweise als Ausbreitungsrauschen und nicht als diskrete Tonkomponenten |
| Regulierungsstatus | IEC 61000-3-6 Bietet Planungsniveaus für Zwischenharmonische bei MV/HV – Emissionsgrenzwerte für einzelne Geräte bei LV sind jedoch nicht festgelegt |
01 Was sind Interharmonische??
Die klassische harmonische Analyse geht davon aus, dass alle nichtsinusförmigen Inhalte in den Spannungs- und Stromwellenformen des Energiesystems aus ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz bestehen – 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz, und so weiter bei 50 Hz. Diese Annahme gilt für den stationären Betrieb der meisten herkömmlichen nichtlinearen Lasten: Ein 6-Puls-Gleichrichter, der an eine starre Wechselstromversorgung angeschlossen ist, erzeugt im 5. Oberwellenstrom, 7th, 11th, 13te Befehle, und ihre Größe ist über die Zeit relativ konstant.
Interharmonische sind Frequenzkomponenten, die diese Annahme widerlegen. Sie treten bei Frequenzen auf, die keine ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz sind – 75 Hz, 130 Hz, 183 Hz, 267 Hz, oder irgendein anderer Wert zwischen den harmonischen Ordnungen. IEC 61000-2-1 definiert sie genau: “Zwischen den Harmonischen der Netzfrequenz Spannung und Strom, Es können weitere Frequenzen beobachtet werden, die keine ganze Zahl der Grundfrequenz sind. Sie können als diskrete Frequenzen oder als Breitbandspektrum auftreten.”
Wenn beispielsweise eine interharmonische Komponente unter die Grundfrequenz fällt, 35 Hz oder 20 Hz auf a 50 Hz-System – es wird manchmal als Subharmonische bezeichnet. IEC 61000-2-1 stellt das fest “Der Begriff „Subharmonische“ hat keine offizielle Definition, sondern ist lediglich ein Sonderfall der Interharmonischen für Frequenzkomponenten, die kleiner als die Netzfrequenz sind. Die Verwendung des Begriffs „subsynchrone Frequenzkomponente“ wird bevorzugt.” Subharmonische Schwingungen sind besonders problematisch, da sie mechanische Resonanzen in rotierenden Maschinen anregen können – Torsionsschwingungen der Turbinenwelle, zum Beispiel – bei Frequenzen unterhalb der Grundfrequenz, wo die Standardschwingungsdämpfung nicht für den Betrieb ausgelegt ist.
02 Quellen – traditionell und neu
Zwischenharmonische entstehen immer dann, wenn ein Energieumwandlungsgerät Energie mit einer Frequenz verarbeitet, die nicht mit der Netzfrequenz synchronisiert ist. Die Ausgangsfrequenz des Wandlungsprozesses moduliert die Netzfrequenz, Erzeugung von Seitenbändern – interharmonischen Komponenten – bei Frequenzen, die durch die Differenz zwischen der Umwandlungsfrequenz und der Netzfrequenz und ihren Harmonischen bestimmt werden.
| Quelltyp | Generierungsmechanismus | Typische interharmonische Frequenzen | Trend |
|---|---|---|---|
| Zyklokonverter | Die direkte AC/AC-Frequenzumwandlung erzeugt eine Ausgabe mit einer beliebigen Ausgangsfrequenz faus — Zwischenharmonische bei |nfHände ± mfaus| | Kontinuierliches Spektrum – abhängig von der Ausgabegeschwindigkeit | Legacy – Walzwerke, große Laufwerke |
| Lichtbogen- und Induktionsöfen | Ein chaotischer Lichtbogenstrom erzeugt eine zufällige, nicht periodische Wellenform – alle Frequenzen sind gleichzeitig vorhanden | Breitband – kontinuierliches Spektrum unten 2 kHz | Stabil – immer noch weit verbreitet |
| VFDs mit variabler Geschwindigkeit | Bei nicht ganzzahligen Geschwindigkeitsverhältnissen, VFD-Ausgangsfrequenz und Oberwellen schlagen mit der Netzfrequenz – Zwischenharmonische treten bei Schwebungsfrequenzen auf | Variiert je nach Motorgeschwindigkeit – fegt kontinuierlich während der Beschleunigung | Wachsend – dominant in der Industrie |
| PV-Wechselrichter (MPPT) | Der Maximum Power Point Tracking-Algorithmus stört den Betriebspunkt periodisch – Welligkeit auf dem DC-Bus erzeugt interharmonische Injektion bei der Störungsfrequenz und ihren Harmonischen | Typischerweise 5–100 Hz Seitenbänder um Harmonische | Schnell wachsend – dominante neue Quelle |
| Windkraftanlagen | Variable Rotorgeschwindigkeit erzeugt Schlupffrequenz (fRotor ≠ fHände) — Zwischenharmonische bei nfHände ± fBeleg | Variiert je nach Windgeschwindigkeit – typischerweise im Bereich von 45–55 Hz (nahezu grundlegend) Beats erzeugen | Rasantes Wachstum – Offshore, Land- |
| EV-Ladegeräte | Durch die Asymmetrie der Schaltfrequenz und die Welligkeit des DC-Busses entstehen Intermodulationsprodukte, die noch verstärkt werden, wenn die Netzspannung selbst verzerrt ist | 2–10-Hz-Seitenbänder um Grund- und Harmonische | Schnell wachsend – Wohngebiet, Handelsregister |
| HGÜ-Wandler | Regelkreiswechselwirkungen zwischen AC- und DC-Seiten erzeugen subsynchrone Schwingungen – Zwischenharmonische bei Regelkreisfrequenzen | Subsynchron (5–45 Hz) – potenziell gefährlich für die Netzstabilität | Wachsend – große Sorge für Übertragungsnetzbetreiber |
Traditionelle interharmonische Quellen – Zyklokonverter, Lichtbogenöfen – waren groß, identifizierbar, Sie befinden sich typischerweise in Industrieanlagen, wo ihre PQ-Auswirkungen am Verbindungspunkt bewertet und verwaltet werden können. Die neuen DER-basierten interharmonischen Quellen – PV-Wechselrichter, Windkraftanlagen, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge – sind klein, zahlreich, geografisch verteilt, und installiert ohne individuelle PQ-Folgenabschätzung. Jedes Gerät erzeugt interharmonische Emissionen, die unter den Grenzwerten der einzelnen Geräte liegen. Aber Tausende von Geräten arbeiten gleichzeitig an derselben LV-Einspeisung, jeweils mit stochastischer interharmonischer Emission bei leicht unterschiedlichen Frequenzen, Schaffung einer zusammengesetzten interharmonischen Umgebung, die bei der Gestaltung der bestehenden NS-Infrastruktur nicht vorgesehen war und nicht durch aktuelle Überwachungsgeräte gekennzeichnet ist.
03 Effekte – Flimmern, Fehlfunktion der Ausrüstung, und Gitterschwingungen
Flimmern – der empfindlichste Effekt
Der wichtigste und am besten dokumentierte Effekt von Zwischenharmonischen ist das Spannungsflimmern. Eine interharmonische Komponente bei der Frequenz fICH H moduliert die Grundspannung, Erzeugen von Amplitudenschwankungen bei der Schwebungsfrequenz |fICH H - Ffundamental|. Auf einem 50 Hz-System, eine Interharmonische bei 55 Hz erzeugt Flimmern bei 5 Hz – genau im Bereich von 1–15 Hz der maximalen menschlichen Sehempfindlichkeit, wie sie durch das IEC-Flickermeter charakterisiert wird. Eine Interharmonische bei 62 Hz erzeugt 12 Hz-Flimmern. Die Flimmerintensität ist proportional zur interharmonischen Amplitude: sogar eine Zwischenharmonische von nur 5% Amplitude kann sichtbares Flimmern erzeugen, das die IEC nicht erfüllen würde 61000-4-15 Flickermeter-Bewertung.
Schwankungen der DC-Busspannung in Gleichrichterlasten
Zwischenharmonische Komponenten in der Versorgungsspannung verursachen zyklusweise Schwankungen der Spitzenspannung, die von Diodengleichrichtern – den DC-Bus-Kondensatoren von Frequenzumrichtern – wahrgenommen wird, USV-Systeme, und Schaltnetzteile. Diese Spannungsschwankungen im DC-Bus führen zu ungleichmäßigem Laden und Entladen der Kondensatoren, Es entsteht eine Welligkeit auf dem DC-Bus, die das Steuerungssystem des Antriebs bewältigen muss. Bei hohen interharmonischen Amplituden, Die Fluktuation im DC-Bus kann einen Überspannungs- oder Unterspannungsschutz im Antrieb auslösen – was zu unerwarteten Auslösungen führt, die eher als Gerätefehler denn als Probleme mit der Versorgungsqualität erscheinen.
Gitterschwingungen und subsynchrone Resonanz
Subsynchrone Zwischenharmonische – Komponenten unten 50 Hz – kann Torsionsresonanzen in großen Turbogeneratorwellen bei Frequenzen anregen, die mit der natürlichen mechanischen Resonanzfrequenz des Wellengeneratorsystems übereinstimmen. Diese subsynchrone Resonanz (SSR) Dieser Mechanismus hat in Wärmekraftwerken, die über serienkompensierte Übertragungsleitungen verbunden sind, zu katastrophalen Wellenausfällen geführt. In modernen Energiesystemen, Wechselwirkungen im Regelkreis des HGÜ-Wandlers können ähnliche subsynchrone Schwingungen erzeugen, die sich durch das verbundene Wechselstromnetz ausbreiten – ein wachsendes Problem, da die HGÜ-Kapazität zunimmt.
04 Feldfall – PV, HOME, und Mikrowelle im selben LV-Stromkreis
Ein 2025 Der Artikel in MDPI Sustainability bietet eine konkrete Feldmessung der interharmonischen Erzeugung in einer modernen häuslichen Niederspannungsinstallation – und zwar konkret, ein Stromkreis mit einem PV-Panel, ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge, und ein gleichzeitig betriebener Mikrowellenherd. Diese Kombination repräsentiert die aufkommende Standard-Energieumgebung für Wohngebäude in entwickelten Ländern mit hoher DER-Akzeptanz.
Das zentrale Ergebnis der Studie ist, dass der gleichzeitige Betrieb dieser drei Geräte stochastische Effekte erzeugt, probabilistische interharmonische Emissionen – nicht die deterministische, vorhersagbare harmonische Muster klassischer nichtlinearer Lasten. Die interharmonischen Frequenzen und Amplituden variieren zufällig von Zyklus zu Zyklus, angetrieben von:
- MPPT-Algorithmus für PV-Wechselrichter — Der Perturb-and-Observe-Algorithmus variiert den Betriebspunkt mit einer Geschwindigkeit, die nicht mit dem Netz synchronisiert ist, Injizieren von Zwischenharmonischen auf der Störungsfrequenz und ihren Seitenbändern mit den Netzharmonischen
- Umschalten des EV-Ladegeräts — Die Schaltfrequenz des Ladegeräts variiert leicht mit dem Ladezustand der Batterie, Es werden interharmonische Emissionen erzeugt, die über einen Frequenzbereich streichen, anstatt auf einem festen Wert zu bleiben
- Mikrowellen-Magnetron — Die Schwingungsfrequenz des Magnetrons ist nicht genau netzsynchronisiert, Erzeugung breitbandiger interharmonischer Inhalte im Bereich von 50–3000 Hz
Die Studie zeigt, dass mehrere interharmonische Quellen gleichzeitig arbeiten, Der gesamte interharmonische Inhalt kann deutlich höher sein als die Summe der einzelnen Beiträge – ein superadditiver Aggregationseffekt. Dies tritt auf, wenn zwei Quellen Interharmonische mit nahe beieinander liegenden, aber nicht identischen Frequenzen erzeugen, Erstellen eines Schwebungsmusters, das die zusammengesetzte Amplitude bei der Schwebungsfrequenz verstärkt. Für einen PV-Wechselrichter, der eine Zwischenharmonische erzeugt 53 Hz und ein EV-Ladegerät erzeugen einen bei 54 Hz gleichzeitig, Das zusammengesetzte Signal hat eine 1 Hz-Beat – eine sehr langsame Amplitudenmodulation, bei ausreichender Amplitude, erzeugt ein wahrnehmbares Flimmern 1 Hz. Kein einzelnes Gerät würde dieses Flimmern alleine erzeugen.
Der methodische Beitrag des Papiers ist ein probabilistisches Modell der interharmonischen Erzeugung, das nicht nur die mittlere interharmonische Amplitude, sondern auch deren statistische Verteilung mithilfe von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen charakterisiert, die an Echtzeitmessungen angepasst werden. Dieser probabilistische Ansatz ist genauer als deterministische Worst-Case-Modelle und nützlicher als einfache statistische Zusammenfassungen: Es ermöglicht die Vorhersage, wie oft eine bestimmte interharmonische Amplitude überschritten wird, Hierbei handelt es sich um die Informationen, die zur Beurteilung der Einhaltung der Planungsniveaus erforderlich sind, ausgedrückt als 95. Perzentilwerte. Für einen 50 Hz-System, die IEC 61000-3-6 Planungsebene für Zwischenharmonische bei LV ist 0.2% — Mit dem Wahrscheinlichkeitsmodell können Ingenieure bestimmen, ob das 95. Perzentil der interharmonischen Verteilung bei einer bestimmten Installation diesen Wert überschreitet.
05 Die Messherausforderung
Zwischenharmonische stellen ein grundlegendes Messproblem dar, das bei klassischen Harmonischen nicht auftritt: Standardmessmethoden sind für ganzzahlige Frequenzkomponenten konzipiert und scheitern systematisch daran, nicht ganzzahlige Komponenten korrekt zu charakterisieren.
Die IEC 61000-4-7 Einschränkung
IEC 61000-4-7 – die Standardmessmethode für Oberschwingungsanalysatoren – spezifiziert a 200 ms-Messfenster (10 Zyklen bei 50 Hz) und wendet eine DFT an, um harmonische Untergruppen zu erzeugen 50 Hz-Intervalle. Eine Spektralkomponente bei genau 75 Hz (in der Mitte zwischen der 1. und 2. Harmonischen bei 50 Hz und 100 Hz) erzeugt eine DFT-Ausgabe, die über mehrere Bins verteilt ist und nicht in einem einzigen Bin konzentriert ist – sie erscheint als erhöhtes Rauschen zwischen den harmonischen Ordnungen und nicht als diskretes 75 Hz-Komponente. Der Standard ordnet diese Interbin-Energie dann der nächsten harmonischen Untergruppe zu, Dadurch wird möglicherweise die harmonische Amplitude aufgebläht und die Zwischenharmonische vollständig verdeckt.
Das Problem der Frequenzauflösung
Ein 200 ms Messfenster bietet eine Frequenzauflösung von 1/0.2 = 5 Hz. Dies bedeutet, dass die interharmonischen Komponenten näher sind als 5 Hz-Abstände können nicht aufgelöst werden – sie erscheinen als ein einzelnes, verbreitertes Spektralmerkmal. Für Zwischenharmonische bei 52 Hz und 54 Hz – beide plausibel von verschiedenen DER-Geräten – sie sind in a unlösbar 200 MS-Fenster. Ihre Lösung erfordert längere Messfenster: 1 Sekunde für 1 Hz-Auflösung, 10 Sekunden für 0.1 Hz-Auflösung. Längere Fenster erhöhen jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Frequenz der Zwischenharmonischen während der Messung geändert hat – ein häufiges Problem bei durch Frequenzumrichter erzeugten Zwischenharmonischen, deren Frequenz sich kontinuierlich mit der Motorgeschwindigkeit ändert.
| Messmethode | Frequenzauflösung | Interharmonische Erkennung | Standard |
|---|---|---|---|
| IEC 61000-4-7 DFT (200 ms) | 5 Hz | Schlecht – verteilt Interharmonische über die Bins, wird fälschlicherweise als harmonischer Inhalt identifiziert | IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008 |
| Erweiterte Fenster-DFT (1 s) | 1 Hz | Gut für stationäre Zwischenharmonische – nicht für zeitlich veränderliche | Forschungspraxis |
| Interpolierte FFT / WIFFT | Sub-Hz-Auflösung | Gut – reduziert spektrale Leckage, bessere interharmonische Amplitudenschätzung | Arbeitsgruppe IEEE P519.1 |
| Zeit-Frequenz-Methoden (Wavelet, STFT) | Variable | Am besten für zeitliche Schwankungen geeignet – erfasst die Frequenzentwicklung im Zeitverlauf | Forschung – noch nicht standardisiert |
| Wahrscheinlichkeitsmodell (PDF-Anpassung) | Statistisch | Am besten für stochastische Quellen geeignet (PV, HOME) – charakterisiert die Verteilung nicht nur gemein | MDPI-Nachhaltigkeit 2025 |
06 Perspektive der Stromqualität
Interharmonische Störungen sind Störungen der Netzqualität, die zwischen allen Standardsystemen auftreten. Ihre Frequenz ist zu hoch für die klassische mechanische Resonanzanalyse, die bei Studien zur Stabilität von Energiesystemen verwendet wird. Ihre Frequenz ist für die EMV-Analyse zu niedrig, das beginnt bei 150 kHz. Sie werden nicht durch die Grenzwerte für Oberschwingungsemissionen in der IEC abgedeckt 61000-3-2 (was für ganzzahlige Harmonische bis zur 40. Ordnung gilt). Und sie werden durch die Standardmessmethode der IEC nicht korrekt charakterisiert 61000-4-7.
Das Ergebnis ist eine Störungsklasse, die mit zunehmender DER-Durchdringung – angetrieben durch PV-Wechselrichter – an Bedeutung gewinnt, Windkraftanlagen, EV-Ladegeräte, und HGÜ-Verbindungen – sind jedoch für die Messinfrastruktur, die die meisten Versorgungsunternehmen und Industrieingenieure eingesetzt haben, systematisch unsichtbar. Wenn ein PQ-Analysator mit IEC läuft 61000-4-7 zeigt saubere harmonische Übereinstimmung an einer Stelle, die sichtbares Flimmern erzeugt, Interharmonische sind die wahrscheinlichste Erklärung, die bei der Standardanalyse fehlen wird.
Aus Sicht der Versorgungs-PQ-Technik, das praktische Protokoll zur Identifizierung von Zwischenharmonischen, wenn die Standard-Oberwellenanalyse ein beobachtetes Problem nicht erklären kann – Flimmern ohne offensichtliche Quelle, unerklärliche VFD-Auslösungen, erhöhtes Rauschen zwischen harmonischen Ordnungen – ist: Erste, Erweitern Sie das Messfenster darüber hinaus 200 ms, um die Frequenzauflösung zu verbessern; zweite, Betrachten Sie das gesamte Spektrum zwischen harmonischen Ordnungen und nicht nur die harmonischen Untergruppen; dritte, Korrelieren Sie die interharmonische Frequenz mit den bekannten mechanischen oder Schaltfrequenzen angeschlossener Geräte. Ein VFD, der einen Motor antreibt 1,450 U/min erzeugt bei einer 4-poligen Maschine eine Schlupffrequenz von |50 - 1450/60| = |50 - 24.17| = 25.83 Hz – und Zwischenharmonische bei 50 ± 25.83 = 24.17 Hz und 75.83 Hz. Finden einer Spektralkomponente bei 75.83 Hz auf der Versorgungsspannung bestätigt mit hoher Sicherheit, dass der VFD die Quelle ist. Dieser systematische Ansatz verwandelt ein Unerklärliches “Messrauschen” Beobachtung in eine diagnostizierte, zurückzuführendes PQ-Problem.
Referenzen
- Moyo RT et al. “Zeitbereichsaggregation von Interharmonischen aus dem Parallelbetrieb mehrerer nachhaltiger Quellen und Elektrofahrzeuge.” Nachhaltigkeit, 17(3), 1214, Februar 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Open Access CC BY 4.0.
- IEC 61000-2-1:1990. Elektromagnetische Verträglichkeit – Beschreibung der Umgebung – Elektromagnetische Umgebung für niederfrequente leitungsgebundene Störungen und Signalübertragungen in öffentlichen Stromversorgungssystemen. IEC, Genf. (Definition von Interharmonischen.)
- IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008. Prüf- und Messtechniken – Allgemeiner Leitfaden für Messungen und Instrumentierung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen für Stromversorgungssysteme und damit verbundene Geräte. IEC, Genf.
- IEC 61000-3-6:2008. Grenzwerte – Bewertung der Emissionsgrenzwerte für den Anschluss verzerrender Anlagen an Mittelspannung, Hoch-und Höchstleistungssysteme. IEC, Genf.
- IEEE Task Force zur Modellierung und Simulation von Harmonischen. “Zwischenharmonische: Theorie und Modellierung.” IEEE Transactions on Power Delivery, Flug. 22, KEIN. 4, pp. 2335–2348, 2007.
- Yong J, Chen L, Chen S. “Modellierung von Hintergrundharmonischen und Interharmonischen.” IEEE Transactions on Power Delivery, Flug. 26, KEIN. 2, pp. 900–909, 2011.
Primärquelle: Moyo RT et al. “Zeitbereichsaggregation von Interharmonischen aus dem Parallelbetrieb mehrerer nachhaltiger Quellen und Elektrofahrzeuge.” Nachhaltigkeit, MDPI, 17(3), 1214, Februar 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Open Access CC BY 4.0. Unterstützende Referenzen: IEC 61000-2-1 (Definition), IEC 61000-4-7 (measurement), IEEE Task Force für Harmonische (2007).
SVG-Diagramme und PQ-Perspektive (Abschnitt 6) sind originale IPQDF-Redaktionsinhalte von Denis Ruest, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.