Harmonische Studie basierend auf IEC-Standards | Internationale Power-Quality-Diskussions-Forum

Dieser Ansatz, grundsätzlich in Europa verwendet, Asien, und viele andere Regionen, unterscheidet sich von der IEEE-Methode in seiner normativen Struktur, insbesondere in Bezug auf Messtechniken und Spektralgruppierung .

1. Normativer Rahmen und Grundprinzipien der IEC

Im Gegensatz zum IEEE-Ansatz, die sich auf Grenzen am Verbindungspunkt konzentriert, Die IEC-Architektur ist modular aufgebaut. Es wird klar zwischen Messmethoden unterschieden, Emissionsgrenzwerte für Geräte, und Netzwerkanalysetechniken.

1.1 Die Struktur der IEC 61000 Serie

Für eine umfassende harmonische Studie, Sie müssen das Zusammenspiel mehrerer Standards verstehen:

IEC 61000-4-7: Dies ist der technische Kern Ihres Studiums. Es definiert die Messung “Werkzeugkasten”: wie man instrumentiert, Probe, und Prozesssignale für Harmonische und Interharmonische bis zu 9 kHz .
IEC 61000-4-30: Darin werden die Leistungsklassen von Messgeräten definiert (Klasse A für weiterführende Studien, garantiert höchste Genauigkeit) .
IEC 61000-3-2 / -3-12: Diese legen die Emissionsgrenzwerte für Oberschwingungsströme für einzelne Geräte fest (≤16A und >16A pro Phase, beziehungsweise) .
IEC TR 61000-3-6 / -3-7: Technische Berichte (nicht normativ, aber maßgebend) Bereitstellung von Grundsätzen zur Festlegung von Anschlussgrenzen für verzerrende Anlagen in Mittelspannung, HV, und EHV-Netzwerke.

1.2 Wichtige Definitionen gemäß IEC 61000-4-7

Die IEC führt spezifische Konzepte für den Umgang mit der instationären Natur von Harmonischen ein:

Spektrale Komponente (Ci): Der RMS-Wert der diskreten Fourier-Transformation (DFT) Ausgabe für eine bestimmte Frequenz (5 Hz-Auflösung) .
Harmonische Untergruppe (HG): Zur Bekämpfung spektraler Leckageeffekte, die exakte harmonische Linie wird mit den beiden unmittelbar benachbarten Spektrallinien gruppiert. Dieser Wert wird für Vergleiche mit Grenzwerten verwendet .
Interharmonische Untergruppe (ICH G): Die Gruppierung von Spektralkomponenten, die zwischen aufeinanderfolgenden Harmonischen liegen .

Frequenzachse – 5 Hz-Bins (10-Zyklusfenster, 50 Hz system)

h = 1 (50 Hz) ICH G between h=1 and h=2 HG h = 2 (100 Hz)

$$G_{sg,h} = \sqrt{\sum_{i=-1}^{+1} C^2_{n \cdot h + ich}}$$

Harmonic subgroup HG

$$G_{isg,h} = \sqrt{\sum_{i=2}^{N-1} C^2_{n \cdot h + ich}}$$

Interharmonic subgroup IG(N = 10, so i = 2..9, 8 bins)

$$G_{sg,h+1} = \sqrt{\sum_{i=-1}^{+1} C^2_{n(h+1) + ich}}$$

Harmonic subgroup HG (h+1)

Harmonic subgroup (HG) — harmonic bin ± 1 neighbour Interharmonic subgroup (ICH G) - 8 bins between harmonics

Abbildung 1: Harmonic and Interharmonic Grouping according to IEC

Technical note: The harmonic sub-group of order n (HG_n) is the square root of the sum of the squares of the harmonic line n and the two adjacent spectral lines. This method reduces uncertainty due to fundamental frequency fluctuations .

2. Data Acquisition and Modeling

The accuracy of an IEC-based study relies on strict adherence to measurement parameters and detailed source characterization.

2.1 Grid Data and Point of Connection

Grid Impedance: Unlike the American approach, which often uses the short-circuit ratio, the European approach (aligned with guides like the UK’s G5/4 or G5/5) often requires harmonic impedance. Ideal, the network operator providesimpedance loci als Funktion der Frequenz .
Background Distortion: On-site measurements according toIEC 61000-4-30 Klasse A (10-Zyklusfenster, precise synchronization) over a representative period (often one week) .

2.2 Non-Linear Load Data (Norton Model)

While IEC 61000-4-7 doesn’t prescribe a specific calculation model, industrial practice and newer standards (like IEC 61400-27-3 for renewables) require robust models :

Harmonic Current Source (Ih): The emission spectrum of the converter or load, measured in a laboratory according to IEC 61000-3-2.
Norton Impedance (Zh): The internal impedance seen from the load terminals. It is crucial for detecting resonance phenomena between the load and the network.

Tabelle 1: Measurement Parameters according to IEC 61000-4-30 Instrument Class

Parameter	Klasse A (Studies)	Klasse S (Surveys)
Measurement uncertainty (Spannung)	±0.1% (for U > 1% Sie_nom)	±1.0%
Synchronization	Robust PLL with frequency tracking	May be less strict
Time aggregation	Very short (3s) and short (10Minuten) values	Identical

For a compliance study intended for a network operator, the use of Class A instruments is mandatory .

3. Step-by-Step Analysis Methodology according to IEC

3.1 Frequency Scan Analysis

Before calculating distortions, identify the resonance frequencies of the combined system (Gitter + Kabel + transformers of the installation).

Verfahren: Inject a current of 1 A at a variable frequency and calculate the resulting impedance.
Ziel: Identify parallel impedance peaks.
Specific IEC Risk: Interharmonic sub-groups (ICH G) can excite these resonances, even if integer harmonics are filtered.

Impedance |In| (Oh) Inductive ωL Capacitive 1/ωC Resonance (250 Hz)

f_res = 250 Hz — 5th harmonic order In_Gipfel ≈ 38 Oh — parallel resonance Q ≈ 8 — quality factor

Abbildung 2: Frequency Scan and Resonance Risk

An impedance peak at 250 Hz would amplify the 5th harmonic. If the peak is at 275 Hz, the interharmonic components around that frequency will be the problem.

3.2 Calculation of the Installation's Contribution (Incremental)

The IEC approach, adopted by guides like G5/5, distinguishes between your site'sincremental contribution und dietotal distortion.

Formula: Using the Norton model. ${IN}_{h, inc} = \frac{{In}_{Gitter} (h) \times {In}_{einlegen} (h)}{{In}_{Gitter} (h) + {In}_{einlegen} (h)} \times {Ich}_{h, Quelle}$ In practice, software (PowerFactory, ETAP, EMTP) solves the system for each frequency.
Verification: This incremental voltage must not exceed a certain percentage of the background voltage (often 1% zu 2% depending on national guides).

3.3 Calculation of Harmonic Sub-groups

This is the most characteristic step of the IEC approach. You do not present the exact 250 Hz line, but the HG5 sub-group.

Perform the DFT on a10-Zyklusfenster (200 ms for 50 Hz, ~166.6 ms for 60 Hz) .
Obtain the spectral components C_i with a 5 Hz step.
Calculate the sub-group for harmonic order *n*:

$H G_{n} = \sqrt{\sum_{ich = - 1}^{+ 1} C_{ich}^{2}}$

wo $C_{0}$ is the exact harmonic line, und $C_{- 1}$ und $C_{+ 1}$ are the adjacent lines .

3.4 Time Aggregation and Statistical Evaluation

IEC 61000-4-30 requires aggregation to smooth out variations :

Very short values (3 Sekunden): Aggregation of the 15 windows of 200 ms.
Short values (10 Protokoll): Aggregation of the 200 values of 3s.
Comparison: Compliance is generally verified on the short values (10 Minuten), ensuring that 95% of the values (oder 99% depending on the contract) are below the planned limits.

4. Compliance and Study Report

4.1 Comparison with Compatibility and Planning Levels

IEC TR 61000-3-6 defines three distinct levels :

Emission Level: What your installation injects (the calculated HGs and IGs).
Planning Level: An internal limit for the network operator, stricter than the compatibility level, to maintain a safety margin.
Compatibility Level: The reference disturbance level (z.B., THDv = 8%) at which 95% of equipment is expected to function correctly .

Aus Ihrem Bericht muss hervorgehen, dass die Summe aus Ihrem Beitrag und der Hintergrundverzerrung unter dem Planungsniveau am Point of Common Coupling liegt (PCC).

4.2 Schadensbegrenzung und Filterung

Bei Grenzwertüberschreitungen, Die Studie muss Lösungen vorschlagen:

Passive Filter: Abgestimmt auf die problematischen harmonischen Untergruppen (HG).
Aktive Filter: Injizieren Sie Ströme, um Oberschwingungen in Echtzeit zu unterdrücken.
Verstimmung: Ändern der Impedanz (z.B., Hinzufügen von Netzdrosseln) um eine Resonanzspitze von kritischen Frequenzen weg zu verschieben.

4.3 Inhalt des Abschlussberichts

Ein IEC-konformer Bericht muss enthalten:

Einzeiliges Diagramm der Anlage und des vorgelagerten Netzwerks.
Eingabedaten: Netzimpedanz, Laststromspektren (mit Messnachweisen bzw. Zertifizierungen nach IEC 61000-3-2).
Simulationsergebnisse: Tabellen der HGs und IGs für normale und unvorhergesehene Betriebsbedingungen.
Statistische Analyse: Kumulierte Wahrscheinlichkeitskurven der berechneten Werte im Vergleich zu den Grenzwerten .

Abschluss: Ausdrückliche Konformitätserklärung oder ein Plan für Korrekturmaßnahmen.