Entrada y salida armónica: Determinación de la dirección de la corriente armónica mediante análisis de ángulo de fase

01 Por qué es importante la dirección armónica

Medir la magnitud del voltaje armónico y la distorsión de corriente en un punto de la red le indica qué tan mala es la situación armónica. No te dice de dónde vienen los armónicos.. En una red de distribución real, múltiples cargas y múltiples fuentes de armónicos coexisten en el mismo bus. Cuando se identifica un problema de cumplimiento armónico, La primera pregunta de ingeniería es.: ¿Esta instalación genera armónicos que fluyen hacia la red?, ¿O está recibiendo armónicos que fluyen desde la red?? La respuesta determina quién es responsable de la mitigación.

Esta distinción (entrada armónica vs.. Salida: es la base de la asignación de responsabilidad armónica en las pautas de la red de distribución de Japón y es cada vez más relevante en otros marcos regulatorios a medida que los límites armónicos se endurecen y múltiples cargas no lineales comparten buses comunes.. Determinar la dirección requiere más que una medición de THD: requiere un análisis de la relación de fase entre el voltaje armónico y la corriente armónica en el punto de medición..[1]

02 Dos métodos para juzgar las entradas y salidas

Método 1 — Polaridad de potencia armónica

El primer método utiliza el signo de la potencia activa armónica. (P_h) en cada orden armónico. La potencia armónica es el producto del voltaje armónico., corriente armónica, y el coseno del ángulo de fase entre ellos. Una potencia armónica positiva indica que la instalación está consumiendo ese armónico: entrada. Una potencia armónica negativa indica que está generando ese armónico: salida.[1]

Este método es teóricamente limpio pero tiene una limitación práctica.: Los niveles de potencia armónica disminuyen rápidamente al aumentar el orden armónico.. La potencia del undécimo armónico suele ser una pequeña fracción de la potencia del quinto armónico.. En órdenes superiores, La señal de potencia armónica se aproxima al piso de ruido del instrumento de medición., haciendo que la determinación de la polaridad no sea confiable. Este método funciona bien para los armónicos dominantes de bajo orden. (3rd, 5ª, 7ª) pero se vuelve poco confiable para el día 11, 13ª, y arriba.[1]

Método 2 — Diferencia de fase armónica tensión-corriente (i)

El segundo método utiliza la diferencia de ángulo de fase entre el voltaje armónico y la corriente armónica en cada orden armónico, denotado θ. Este es un enfoque más sólido porque se basa en la medición del ángulo de fase en lugar de la magnitud de potencia., y el ángulo de fase se puede determinar con precisión incluso cuando las magnitudes armónicas son pequeñas.[1]

Para instalaciones trifásicas de 3 hilos utilizando el método de medición de 2 metros (3P3W2M), la métrica recomendada es la suma del ángulo de fase θ_suma — la diferencia de fase armónica de tensión-corriente calculada a partir de la suma de las cantidades medidas en ambos canales de medición. Este enfoque de suma proporciona un valor más estable y representativo que las mediciones de fases individuales para sistemas trifásicos..

03 Configuración de medición

La configuración 3P3W2M utiliza dos sensores de corriente y dos mediciones de voltaje para caracterizar completamente el sistema trifásico de 3 cables.. La “suma” El enfoque del ángulo de fase es específico de esta configuración: combina las mediciones de ambos canales para producir un único θ_suma valor por orden armónico que es representativo de la dirección general del flujo armónico trifásico.[1]

04 Ejemplos de análisis: Cuatro órdenes armónicos, Cuatro comportamientos diferentes

Los siguientes ejemplos están extraídos de mediciones en un 6.6 circuito kV. Los gráficos de tiempo muestran la diferencia de fase armónica de voltaje-corriente. (i_suma) en el tiempo para cada orden armónico. El límite de entrada/salida está a ±90°.[1]

Fundamental (1st armónico) y quinto armónico: entrada

Higo. 1. Gráfica de tiempo de θ_suma por lo fundamental (marrón) y 5to armónico (verde). Ambos permanecen dentro de la zona de entrada de −90° a +90° durante todo el período de medición., confirmando que la instalación está consumiendo tanto la potencia fundamental como el 5º armónico. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

La ola fundamental está en afluencia: esto se espera, ya que la instalación está consumiendo potencia real de la red. El quinto armónico también es predominantemente de entrada., indicando que la fuente dominante del quinto armónico está en otra parte de la red y esta instalación la está recibiendo. Esta instalación es víctima de la contaminación del 5º armónico, no es una fuente de ello.

3Tercer armónico: salida

Higo. 2. Gráfica de tiempo de θ_suma para el 3er armónico (rojo). El ángulo de fase cae constantemente fuera de la zona de entrada de ±90°, en el rango de −180° a −90° o de +90° a +180°, lo que confirma la salida del tercer armónico. Esta instalación está generando corriente de 3er armónico que fluye hacia la red.. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

El tercer armónico es de salida; esta instalación es una fuente de tercer armónico. Tenga en cuenta que el tercer armónico es característico de cargas no lineales monofásicas. (fuentes de alimentación conmutadas, iluminación fluorescente) en lugar de accionamientos trifásicos de 6 impulsos. Su presencia como armónico de salida en un 6.6 El circuito de kV sugiere una carga monofásica en el lado secundario de los transformadores de distribución alimentados desde este circuito..

7ésimo armónico - Salida

Higo. 3. Gráfica de tiempo de θ_suma para el séptimo armónico (azul). Flujo de salida confirmado: el ángulo de fase permanece fuera de la zona de entrada de ±90°. El giro de 180° es visible como transiciones verticales en la traza.. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

El séptimo armónico también sale.. Junto con la salida del tercer armónico, Esto sugiere que la instalación contiene una carga no lineal significativa que genera corriente armónica en el 6.6 red kV. La entrada del quinto armónico observada anteriormente indica que el quinto armónico en este bus proviene de otro lugar: la propia generación del quinto armónico de la instalación local está siendo enmascarada o dominada por una fuente externa del quinto armónico..

Ejemplos de juicio 1 y 2 — Aplicando el θ_promedio mostrar

Higo. 4. Ejemplo de juicio 1 - i_promedio Trazado de tiempo armónico en HIOKI PQA HiVIEW Pro. La visualización del ángulo de fase promedio proporciona una base más limpia para la determinación de flujo de entrada/salida que θ sin procesar._suma valores punto por punto. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

Higo. 5. Ejemplo de juicio 2 - i_promedio diagrama de tiempo armónico. Un segundo escenario que demuestra la aplicación de la metodología de valoración de flujos de entrada/salida utilizando la visualización del ángulo de fase promediado.. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

Higo. 6. Pantalla de análisis armónico HIOKI PQA HiVIEW Pro: vista tabular de los resultados de la diferencia de fase de tensión-corriente armónica por orden de armónicos. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

Higo. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro visualización resumida de los resultados del juicio de entrada/salida de armónicos en todos los órdenes de armónicos monitoreados. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

Higo. 8. Gráfico de tiempo armónico de HIOKI PQA HiVIEW Pro con indicadores de zona de entrada/salida: los límites de ±90° están marcados, permitiendo la determinación visual directa de la dirección armónica desde el θ_promedio rastro. Fuente: HIOKI E.E. Corporación.[1]

05 Marco regulatorio japonés: Límites de corriente de salida armónica

Japón tiene uno de los marcos nacionales más desarrollados para la asignación de responsabilidad armónica a nivel de distribución.. El Ministerio de Economía e Industrias emitió en septiembre su Guía de Contramedidas de Disuasión de Armónicos 1994 — establecer límites que se apliquen específicamente a la corriente de salida armónica de los clientes del lado de la demanda que reciben suministro de alto o muy alto voltaje.[2]

Límites de distorsión de voltaje

• 6.6 sistema kV: Distorsión de tensión armónica total ≤ 5%
• Sistema de muy alto voltaje: Distorsión de tensión armónica total ≤ 3%

Límites de corriente de salida armónica

La directriz japonesa expresa los límites de corriente armónica en miliamperios por kilovatio de potencia contratada, una normalización que hace que los límites sean independientes del tamaño del cliente y directamente proporcionales al contrato de energía del cliente.. Los valores límite superiores se especifican por orden armónico, con límites inferiores para armónicos de orden superior. La normalización por kW significa que un cliente más grande tiene proporcionalmente más asignación de corriente armónica, pero también debe cumplir con cada orden de armónicos de forma independiente..[2]

Este marco regulatorio basado en la dirección (que limita el flujo de salida en lugar de la corriente armónica total) es la distinción clave del enfoque de punto de acoplamiento común de IEEE 519.. IEEE 519 Limita la corriente armónica que un cliente inyecta en el PCC., que es efectivamente un límite de salida. La directriz japonesa hace explícito el concepto de flujo de salida y lo aplica al nivel de orden armónico individual con normalización por kW.. La metodología de medición descrita en este artículo - θ_suma Análisis del ángulo de fase: es la herramienta que hace que esta regulación basada en el flujo de salida sea auditable..

06 Perspectiva PQ: La dirección como herramienta de diagnóstico

6.1 Cuando el análisis de dirección cambia el diagnóstico.

La implicación más importante del análisis de dirección armónica es que una medición alta de THD en la entrada de servicio de un cliente no significa automáticamente que el cliente sea responsable de ello.. Si la corriente armónica ingresa (proviene de la red), el cliente es una víctima y la fuente está en otra parte del alimentador.. Exigir al cliente que instale filtros de armónicos en esta situación es una pérdida de dinero y es posible que no mejore en absoluto la situación de armónicos de la red..

A la inversa, un cliente con niveles modestos de THD en su entrada de servicio aún puede ser una fuente importante de salida de armónicos si su potencia contratada es grande; el límite japonés por kW podría excederse incluso cuando la THD absoluta parece aceptable. El análisis de dirección en cada orden armónico es la única forma de caracterizar correctamente la responsabilidad..

6.2 Aplicación práctica en una investigación armónica.

Una secuencia práctica de investigación armónica utilizando esta metodología.:

1. Mida el voltaje y la corriente armónicos en el punto de interés; confirme que las amplitudes armónicas son lo suficientemente significativas como para justificar el análisis de dirección.
2. Aplicar el θ_suma criterio para cada orden armónico de interés
3. Identificar qué órdenes armónicos están entrando. (fuente de red) y cuales son de salida (fuente local)
4. Para armónicos de salida: identificar las cargas no lineales locales responsables y evaluar las opciones de mitigación
5. Para armónicos de entrada: investigar la red en busca de la fuente responsable: otros clientes en el mismo alimentador, condiciones de resonancia de la red, equipo utilitario

6.3 Conexión a la serie de artículos IPQDF

Los artículos técnicos de esta serie. (Artículos 1 a 3) estableció las firmas armónicas de unidades de 6 pulsos y su interacción con los componentes de la red. Los estudios de caso demostraron lo que sucede cuando los armónicos no se mitigan.. Esta referencia técnica completa una dimensión diferente del cuadro.: la metodología de medición necesaria para determinar si una instalación determinada es una fuente de armónicos o un receptor de armónicos: el requisito previo para asignar responsabilidades y seleccionar la estrategia de mitigación correcta.

el yo_suma El método de ángulo de fase descrito aquí es específico del instrumento en su implementación. (HIOKI PQA HiVIEW Pro en este ejemplo) pero el principio subyacente (que la dirección de la corriente armónica está determinada por la relación de fase entre el voltaje armónico y la corriente armónica) es universal.. Cualquier analizador de calidad de energía que informe ángulos de fase armónicos puede respaldar este análisis., con una interpretación adecuada de las convenciones de medición utilizadas por ese instrumento.

Referencias

1. [1] HIOKI E.E. Corporación, “Entrada y salida de armónicos,” en Guía para la Medición de Calidad de Energía, HIOKI E.E. Corporación, Nagano, Japón. Disponible: hioki.com
2. [2] Ministerio de Economía, Comercio e Industria (PONER), Japón, “Directriz para contramedidas de disuasión de armónicos en el lado de la demanda que recibe alto voltaje o voltaje extra alto,” Informe oficial, Septiembre 30, 1994.