Supraharmonische Emissionen von Photovoltaik-Wechselrichtern – eine neue Herausforderung für die Stromqualität
| Phänomen | Supraharmonisch (SH) Emissionen im Bereich von 2–150 kHz von netzgekoppelten PV-Wechselrichtern |
| Quelle | PWM-Schaltung in modernen Hochfrequenz-PV-Wechselrichtern mit SiC- und GaN-Halbleiterschaltern |
| Beobachtete Emissionsarten | Schmalband (bei Schaltfrequenz und Vielfachen) · Breitband · Zeitlich variabel |
| Schlüsselparadoxon | Neue Halbleiter mit großer Bandlücke reduzieren klassische Harmonische (<2 kHz) sondern erhöhen die Supraharmonischen (>2 kHz) |
| Regulierungsstatus | Für den Bereich 2–150 kHz gibt es derzeit keine spezifischen Emissionsgrenzwerte – Normlücke |
| Messstandard | IEC 61000-4-7 und IEC 61000-4-30 – beide sind für die SH-Charakterisierung unzureichend; in Überarbeitung |
| Intermodulationsrisiko | PV-Wechselrichter + Die Schaltfrequenzen des Ladegeräts für Elektrofahrzeuge interagieren und erzeugen neue Frequenzkomponenten, die in keinem der beiden Geräte allein vorhanden sind |
| Bekannte Auswirkungen | Kabelerwärmung · Störung der LED-Lampe · Alterung des Kondensators · SPS-Kommunikationsfehler · Fehlfunktion des Steuerstromkreises |
01 Kontext – Die neue Grenze der Stromqualität
Ingenieure für Energiequalität haben Jahrzehnte damit verbracht, Oberschwingungen im Bereich bis zu zu charakterisieren und zu mindern 2 kHz – die fünfte, siebte, elfte, dreizehnte harmonische Ordnungen, die das Markenzeichen von Sechspuls-Gleichrichtern sind, Lichtbogenöfen, und gesättigte Transformatoren. Die Messmethoden sind gut etabliert, Die Standards sind umfassend, und die Schadensbegrenzungstechnologie ist ausgereift. Über 2 kHz, jedoch, Die Landschaft verändert sich grundlegend.
Supraharmonische – elektrische Störungen im 2 kHz bis 150 kHz-Bereich – sind kein neues Phänomen, aber sie wachsen schnell. Die Verbreitung netzgekoppelter leistungselektronischer Geräte: Photovoltaik-Wechselrichter, EV-Ladegeräte, Batteriespeichersysteme, LED-Treiber, und Antriebe mit variabler Geschwindigkeit unter Verwendung moderner Halbleiterschalter mit großer Bandlücke, füllt den supraharmonischen Frequenzbereich mit Emissionen, für deren Erfassung das bestehende System zur Messung der Netzqualität nicht ausgelegt ist und für die es derzeit keine gesetzlichen Grenzwerte gibt.[1]
Diese Fallstudie präsentiert die Forschungsergebnisse von Pinto, Gracel, und Baptista (2024) an der Universität Trás-os-Montes (Portugal) und Technikum Wien (Österreich), Analyse supraharmonischer Emissionen von mehreren PV-Wechselrichtern in einem Stromnetz unter verschiedenen Durchdringungsszenarien. Die Studie liefert eine der klarsten veröffentlichten Darstellungen der Emissionseigenschaften, Ausbreitungsmechanismen, und Störpotential von PV-erzeugten Supraharmonischen auf niedrigem Niveau- und Mittelspannungsnetze.
Die Leistungselektronik der vorherigen Generation verwendete Dioden und Thyristoren – passive Schaltgeräte, die auf die Netzfrequenzkommutierung beschränkt waren. Sie erzeugten erhebliche harmonische Verzerrungen im Bereich von 0–2 kHz. Moderne Wechselrichter verwenden Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) Schalter, die mit Schaltfrequenzen von 20–100 kHz oder höher arbeiten. Diese Geräte reduzieren niederfrequente harmonische Verzerrungen drastisch – aber die hohen Schaltfrequenzen verschieben das Emissionsspektrum nach oben in den supraharmonischen Bereich, wo die Messung schwieriger ist und es noch keine gesetzlichen Grenzwerte gibt.[1]
02 Was sind Supraharmonische??
Supraharmonische sind Frequenzkomponenten, die in der Spannungs- oder Stromwellenform des Stromversorgungssystems im Bereich von vorhanden sind 2 kHz bis 150 kHz. Sie unterscheiden sich von den beiden klassischen Harmonischen (ganzzahlige Vielfache davon 50/60 Hz-Grundfrequenz, typischerweise bis zur 40. Harmonischen angesprochen – 2 kHz bei 50 Hz) und vor den oben genannten hochfrequenten elektromagnetischen Störungen 150 kHz, was durch CISPR-Standards geregelt wird.[1]
Der supraharmonische Bereich liegt zwischen zwei gut regulierten Bereichen – und fällt durch die Lücke zwischen ihnen. Weder der Rahmen für Stromqualitätsstandards (IEC 61000 Serie, IEEE 519) noch das Rahmenwerk zur elektromagnetischen Verträglichkeit (CISPR) deckt diesen Bereich mit spezifischen Emissionsgrenzwerten für netzgekoppelte Leistungselektronik ausreichend ab.[1]
Emissionsarten im supraharmonischen Bereich
Die Studie identifizierte drei verschiedene Emissionsarten von PV-Wechselrichtern, jeweils mit unterschiedlichen Eigenschaften und Ausbreitungsverhalten:[1]
- Schmalbandige Emissionen — konzentriert auf die Schaltfrequenz des Wechselrichters und deren ganzzahlige Vielfache. Zum Einschalten eines PV-Wechselrichters 20 kHz, schmalbandige Emissionen treten auf 20 kHz, 40 kHz, 60 kHz, etc. Diese sind deterministisch und stehen in direktem Zusammenhang mit der PWM-Modulationsfrequenz
- Breitbandemissionen – über einen weiten Frequenzbereich verteilt, werden typischerweise durch Schalttransienten und die endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Halbleiterschalter verursacht. Je schneller der Wechsel (wie bei SiC- und GaN-Geräten), desto breiter ist der Hochfrequenzanteil des Transienten
- Zeitlich veränderliche Emissionen – verändert sich mit der Sonneneinstrahlung, einlegen, und dem Betriebspunkt des Wechselrichters. Bei niedrigem Leistungsniveau oder während Wolkentransienten, der MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) Der Algorithmus ändert das Schaltmuster, Das Emissionsspektrum wird dynamisch verändert
03 Quellen und das Intermodulationsproblem
PWM-Umschaltung – der primäre Erzeugungsmechanismus
Die supraharmonischen Emissionen eines PV-Wechselrichters entstehen durch die Pulsweitenmodulation (PWM) Schaltprozess, der den DC-Ausgang des PV-Moduls in den netzfrequenten AC-Ausgang umwandelt. Jedes Schaltereignis – das Ein- oder Ausschalten des Halbleiterschalters – erzeugt einen Stromstoß, dessen Frequenzinhalt weit über die grundlegende Schaltfrequenz hinausgeht. Je schneller der Schaltübergang (gekennzeichnet durch dI/dt und dV/dt), Je höher der Frequenzgehalt und desto breiter das Emissionsspektrum.[1]
Bei der Messung supraharmonischer Emissionen am PCC, Das Gerät misst immer die Summe der Primäremissionen (vom zu testenden Gerät) und Sekundäremissionen (supraharmonische Ströme von anderen Geräten im Netzwerk, die durch den Messpunkt fließen). Diese Unterscheidung ist entscheidend für die korrekte Zuweisung der Verantwortung – und ein Grund dafür, dass die Zuweisung supraharmonischer Quellen deutlich komplexer ist als die klassische Identifizierung harmonischer Quellen. Das Impedanznetzwerk zwischen den Geräten bestimmt, wie viel der Primäremissionen jedes Geräts an jedem anderen Messpunkt auftritt.[1]
Intermodulation – wenn zwei Geräte interagieren
Eine der wichtigsten Erkenntnisse der aktuellen supraharmonischen Forschung ist das Intermodulationsphänomen. Wenn beispielsweise zwei leistungselektronische Geräte mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen an dasselbe Netzwerk angeschlossen sind, Ein PV-Wechselrichter schaltet ein 20 kHz und ein EV-Ladegerät, das umschaltet 32 kHz – ihre supraharmonischen Emissionen interagieren über die Netzwerkimpedanz und erzeugen neue Frequenzkomponenten bei Summen- und Differenzfrequenzen (52 kHz, 12 kHz, 72 kHz, usw.) die von keinem der Geräte einzeln ausgesendet wurden.[1]
Dieses in der Telekommunikation als Intermodulationsverzerrung bekannte Phänomen wird nun auch in Stromverteilungsnetzen beobachtet, da die Dichte von Geräten mit hoher Schaltfrequenz zunimmt. Dies bedeutet, dass die supraharmonische Umgebung an jedem Punkt im Netzwerk nicht einfach die Überlagerung einzelner Geräteemissionen ist, sondern eine komplexe Mischung primärer Emissionen, Sekundäremissionen, und Intermodulationsprodukte, deren Zusammensetzung sich mit der angeschlossenen Gerätepopulation ändert.
Das Intermodulationsproblem bedeutet, dass supraharmonische Emissionen aus einem Verteilernetz mit mehreren PV-Wechselrichtern und Ladegeräten für Elektrofahrzeuge nicht durch Summierung der Emissionsmessungen einzelner Geräte vorhergesagt werden können. Die Netzwerkimpedanz, die räumliche Verteilung von Geräten, und die Beziehung zwischen ihren Schaltfrequenzen sind alle wichtig. Dies erfordert einen grundlegend anderen Ansatz zur supraharmonischen Bewertung als die harmonischen Summationsmethoden, die für klassische Harmonische verwendet werden.
04 Auswirkungen auf Geräte und Netzwerke
Supraharmonische Emissionen haben eine Reihe von Auswirkungen auf Komponenten des Energiesystems und angeschlossene Geräte, Einige davon sind analog zu klassischen harmonischen Effekten und einige davon sind spezifisch für den höheren Frequenzbereich:[1]
- Kabelheizung – Skin-Effekt: Bei hohen Frequenzen, Der Strom konzentriert sich auf die Leiteroberfläche (Hauteffekt), Verringerung des wirksamen Querschnitts und Erhöhung des wirksamen Widerstands. Ein Kabel, das erhebliche supraharmonische Ströme führt, wird heißer, als seine Netzfrequenzbelastung allein vermuten lässt. Thermische Berechnungen auf der Grundlage der Netzfrequenz-Stromnennwerte sind bei Vorhandensein eines erheblichen supraharmonischen Gehalts nicht konservativ
- Alterung des Kondensators: Kondensatoren weisen bei hohen Frequenzen eine niedrige Impedanz auf, Ziehen supraharmonischer Ströme proportional zur Frequenz. Die dielektrischen Verluste bei supraharmonischen Frequenzen können die Verluste bei Netzfrequenz deutlich übersteigen, Dadurch wird die Verschlechterung der Isolierung beschleunigt und die Lebensdauer verkürzt. Besonders gefährdet sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren in Beleuchtungsgeräten
- Störung der LED-Lampe: LED-Treiber reagieren empfindlich auf hochfrequente Störungen der Versorgungsspannung. Supraharmonische Verzerrungen können wahrnehmbare Schwankungen in der LED-Lichtleistung verursachen – ein Flackermechanismus, der sich von dem von der IEC angesprochenen Spannungsschwankungsflackern bei 8–10 Hz unterscheidet 61000-4-15, und nicht vom Standard-Flickermesser erfasst
- Stromleitungskommunikation (PLC) Interferenz: Intelligente Messsysteme, SCADA-Kommunikation, und Demand-Response-Signale nutzen häufig Netzträgerfrequenzen im supraharmonischen Bereich (typischerweise 9–150 kHz). Supraharmonische Emissionen von PV-Wechselrichtern und Ladegeräten für Elektrofahrzeuge können diese Signale überlagern, Dies führt zu Kommunikationsfehlern in der Smart-Grid-Infrastruktur
- Fehlfunktion des Steuerkreises: Hochfrequente Emissionen können durch elektromagnetische Induktion oder leitungsgebundene Wege in Steuer- und Schutzkreise einkoppeln, was zu Fehlfunktionen des Relais führt, Messfehler, oder Kommunikationsstörungen
- Hörbares Geräusch: Supraharmonische Frequenzen im Bereich 20 Hz–20 kHz liegen im menschlichen Hörbereich und können hörbare Geräusche von Transformatoren verursachen, Kabel, und andere magnetische Komponenten
Intelligente Mess- und Demand-Response-Systeme – die die Grundlage für modernes Netzmanagement und Laststeuerung bilden – sind auf die Kommunikation des Stromleitungsträgers genau in dem Frequenzbereich angewiesen, in dem supraharmonische Emissionen am stärksten konzentriert sind. Ein Verteilernetzteil, der mit PV-Wechselrichtern und Ladegeräten für Elektrofahrzeuge ausgestattet wird, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren, kann gleichzeitig die Kommunikationsinfrastruktur beeinträchtigen, die diese Geräte verwaltet. Dabei handelt es sich nicht um eine hypothetische Sorge – Netzbetreiber melden bereits Ausfälle der SPS-Kommunikation in Gebieten mit hoher PV-Penetration.
05 Messung – Die Standardslücke
Die Messung von Supraharmonischen erfordert die oben genannten Abtastraten 300 kHz (nach dem Nyquist-Kriterium, Signalinhalte bis zu erfassen 150 kHz) — deutlich höher als bei klassischen Oberschwingungsmessgeräten, die normalerweise mit 12–16 kHz abtasten, sind darauf ausgelegt, bereitzustellen. Dies bedeutet, dass die meisten vorhandenen Netzqualitätsmonitore – sogar Geräte der Klasse A, die IEC entsprechen 61000-4-30 — den supraharmonischen Bereich nicht erfassen.[1]
Aktuelle Messstandards und ihre Grenzen
- IEC 61000-4-7: Gibt die harmonische und interharmonische Messung an 200 Hz-Frequenzbänder bis zu 2 kHz. Behandelt nicht den supraharmonischen Bereich
- IEC 61000-4-30: Gibt PQ-Messmethoden an, einschließlich einer nicht kontinuierlichen Gruppierungsmethode 2 kHz-Frequenzbänder für die darüber liegenden Frequenzen 2 kHz. Dies bietet nur 8% Signalabdeckung – 92% des supraharmonischen Signals wird nicht erfasst. Die 2 Durch die Gruppierung des kHz-Bandes geht auch die Frequenzauflösung verloren, die für die Identifizierung der Schaltfrequenzen einzelner Geräte unerlässlich ist. Diese Norm wird derzeit von IEC SC 77A WG9 überarbeitet, um speziell diese Mängel zu beheben[1]
- CISPR 16: Der oben verwendete Standard zur Messung elektromagnetischer Störungen 9 kHz. Entwickelt für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI von Geräten, Nicht für die PQ-Überwachung des Stromnetzes. Verwendet Quasi-Peak- und Average-Detektoren anstelle der für die PQ-Bewertung geeigneten RMS-Messungen
Eine PQ-Untersuchung, durchgeführt mit einem Gerät der Klasse A, das vollständig der IEC entspricht 61000-4-30 meldet Spannungs- und Stromparameter von DC bis 2 kHz mit hoher Genauigkeit. Über 2 kHz, das gleiche Instrument liefert fragmentarisch, Daten mit niedriger Auflösung, denen der Großteil der supraharmonischen Signalenergie fehlt. Der Untersuchungsbericht wird technisch korrekt sein – und die supraharmonische Umgebung überhaupt nicht charakterisieren. Hierbei handelt es sich nicht um einen Mangel des Instruments oder der Messpraxis, sondern um eine Lücke in der Norm selbst, an deren Besetzung die IEC aktiv arbeitet.
06 Wichtigste Erkenntnisse der Studie
Die Studie von Pinto, Gracel, und Baptista analysierten reale supraharmonische Signale von PV-Systemen in mehreren Netzwerkszenarien, Untersuchung der Ausbreitung von Emissionen und der Korrelationen zwischen verschiedenen PV-Wechselrichtermodellen und Durchdringungsniveaus. Die wichtigsten Ergebnisse waren:[1]
- Jedes PV-Wechselrichtermodell hat eine eigene Emissionssignatur — Die Schaltfrequenz und ihre Harmonischen erscheinen als charakteristische schmalbandige Spitzen im supraharmonischen Spektrum, Dadurch können einzelne Wechselrichtermodelle anhand ihres Emissionsmusters identifiziert werden. Eine konstante schmalbandige Emission bei der Schaltfrequenz (beispielsweise, 20 kHz) ist die zuverlässigste Kennung
- Breitbandemissionen variieren je nach Betriebsbedingungen — bei Teillast (geringe Sonneneinstrahlung), Der MPPT-Algorithmus ändert das Schaltmuster, und das breitbandige Emissionsprofil ändert sich entsprechend. Dieser zeitlich veränderliche Charakter macht die Charakterisierung unter einer einzigen Betriebsbedingung irreführend
- Intermodulationsprodukte sind messbar — wenn mehrere PV-Wechselrichter mit unterschiedlichen Schaltfrequenzen im selben Netzwerk vorhanden sind, Intermodulationsprodukte bei Summen- und Differenzfrequenzen sind erkennbar, Dies bestätigt, dass die supraharmonische Umgebung nicht einfach die Summe einzelner Emissionen ist
- Die Ausbreitung hängt von der Netzwerkimpedanz ab — Supraharmonische Emissionen breiten sich entsprechend der Impedanzverteilung durch das Netzwerk aus. Kapazitive Lasten (einschließlich Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren) weisen bei supraharmonischen Frequenzen eine niedrige Impedanz auf und ziehen erhebliche supraharmonische Ströme, möglicherweise die lokalen Emissionswerte erhöhen
- Kein aktueller Regulierungsrahmen berücksichtigt die Ergebnisse angemessen — Die Studie kommt zu dem Schluss, dass spezifische Regelungen für den Bereich 2–150 kHz dringend erforderlich sind, deckt sowohl Emissionsgrenzwerte als auch Messmethodik ab
Die schmalbandige Emission bei der Schaltfrequenz des PV-Wechselrichters ist das zuverlässigste Felderkennungsmerkmal. Wenn ein Netzqualitätsanalysator mit ausreichender Bandbreite vorhanden ist (300 kHz+ Abtastrate) ist vorhanden, Durch die Suche nach Schmalbandspitzen im Bereich von 10–100 kHz werden die Schaltfrequenzen der angeschlossenen Wechselrichter und Ladegeräte ermittelt. Die Intermodulationsprodukte – bei Summen- und Differenzfrequenzen – erscheinen als zusätzliche Schmalbandspitzen, die sich verschieben, wenn sich die Schaltfrequenz eines Geräts ändert, was sie von Primäremissionen unterscheidet.
07 Perspektive der Stromqualität
Supraharmonische stellen die nächste Grenze der Energiequalitätstechnik dar – ein Phänomen, das genau zu dem Zeitpunkt an Bedeutung gewinnt, zu dem die Werkzeuge zu seiner Messung und Begrenzung noch entwickelt werden. Auffallend ist die Parallele zur klassischen Harmonik in den 1980er und frühen 1990er Jahren: eine neue Klasse nichtlinearer Lasten (Dann, VFDs und USV-Systeme; Jetzt, PV-Wechselrichter und Ladegeräte für Elektrofahrzeuge) führt zu Störungen, für deren Bewältigung der bestehende Mess- und Regulierungsrahmen nicht ausgelegt ist, und die Ingenieursgemeinschaft bemüht sich darum, das Problem zu charakterisieren, bevor es unüberwindbar wird.
Aus Sicht der Versorgungsverteilung, Die unmittelbarste Folgewirkung ist die Bedrohung der Kommunikation der Stromnetzbetreiber. Smart Metering, Nachfragereaktion, und Netzsteuerungssysteme, die auf SPS-Frequenzen im Bereich von 9–150 kHz angewiesen sind, sind direkt anfällig für denselben Frequenzbereich, in dem supraharmonische Emissionen konzentriert sind. Da die PV-Penetration und die Ladedichte von Elektrofahrzeugen an Niederspannungsverteilern zunehmen, Das Signal-Rausch-Verhältnis für die SPS-Kommunikation wird sich verschlechtern – was möglicherweise die Smart-Grid-Infrastruktur untergräbt, die die Energiewende bewältigen soll.
Netzqualitätsingenieure, die ihre Praxis auf Oberschwingungsmessungen bis zur 40. Ordnung aufgebaut haben, müssen sich darüber im Klaren sein, dass sich der PQ-Problembereich nun nach oben erweitert 2 kHz – und dass die Instrumente, Standards, und Schadensbegrenzungsinstrumente für diesen Bereich sind noch ausgereift. Eine PQ-Bewertung, die Supraharmonische nicht berücksichtigt, ist nicht falsch – sie ist für jeden Standort mit erheblicher PV-Erzeugung oder Aufladung von Elektrofahrzeugen einfach unvollständig. Die Frage ist nicht, ob Supraharmonische wichtig sind, aber wenn die Messinstrumente und der Regulierungsrahmen mit der physischen Realität, die bereits im Netzwerk vorhanden ist, Schritt halten. Basierend auf dem Tempo der Normentwicklung bei IEC SC 77A WG9, Diese Konvergenz ist innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre wahrscheinlich. Ingenieure, die sich jetzt mit dem supraharmonischen Bereich vertraut machen, werden gut aufgestellt sein, wenn dieser zu einem obligatorischen Bestandteil jeder PQ-Untersuchung wird.
Referenzen
- Pinto J, Grasel B, Baptista J. “Analyse der supraharmonischen Emission in Stromnetzen: Eine Fallstudie zu Photovoltaik-Wechselrichtern.” Elektronik, Flug. 13, KEIN. 24, p. 4880, 2024. DOI: 10.3390/Elektronik13244880. Open Access unter CC BY 4.0.
- IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) - Teil 4-7: Prüf- und Messtechniken – Allgemeiner Leitfaden zur Messung und Instrumentierung von Oberschwingungen und Zwischenharmonischen. IEC, Genf.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) - Teil 4-30: Prüf- und Messtechniken – Methoden zur Messung der Netzqualität. IEC, Genf.
- IEC 61000-2-2:2002. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) - Teil 2-2: Umwelt – Kompatibilitätsniveaus für niederfrequente leitungsgebundene Störungen und Signalübertragung in öffentlichen Niederspannungsversorgungssystemen. IEC, Genf.
- Rönnberg SK, Der Ball MHJ. “Probleme der Stromqualität im Stromsystem der Zukunft.” Das Elektrizitätsjournal, Flug. 29, KEIN. 10, pp. 49-61, 2016.
Pinto J, Grasel B, Baptista J. “Analyse der supraharmonischen Emission in Stromnetzen: Eine Fallstudie zu Photovoltaik-Wechselrichtern.” Elektronik, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/Elektronik13244880 · Lesen Sie den Originalartikel bei MDPI →
Open Access veröffentlicht unter CC BY 4.0. Diese Fallstudie wird in zusammenfassender und kommentierender Form präsentiert. Der Abschnitt „PQ-Perspektive“. (Abschnitt 7) ist der ursprüngliche IPQDF-Redaktionskommentar von Denis Ruest, M.Sc. (Angewandt), P.Eng. (im Ruhestand). IPQDF erhebt keinen Anspruch auf die Urheberschaft der ursprünglichen Forschung.