Emisiones supraarmónicas de inversores fotovoltaicos: un desafío emergente en la calidad de la energía
| Fenómeno | supraarmónico (SH) Emisiones en el rango de 2 a 150 kHz de inversores fotovoltaicos conectados a la red. |
| Fuente | Conmutación PWM en inversores fotovoltaicos modernos de alta frecuencia que utilizan interruptores semiconductores de SiC y GaN |
| Tipos de emisiones observados | banda estrecha (a frecuencia de conmutación y múltiplos) · Banda Ancha · Variante en el tiempo |
| Paradoja clave | Los nuevos semiconductores de banda ancha reducen los armónicos clásicos (<2 kHz) pero aumenta los supraarmónicos (>2 kHz) |
| Estado regulatorio | Actualmente no existen límites de emisión específicos para el rango de 2 a 150 kHz: brecha de estándares |
| Estándar de medición | IEC 61000-4-7 e IEC 61000-4-30 — ambos inadecuados para la caracterización de SH; bajo revisión |
| Riesgo de intermodulación | inversor fotovoltaico + Las frecuencias de conmutación del cargador de vehículos eléctricos interactúan para crear nuevos componentes de frecuencia que no están presentes en ninguno de los dispositivos por sí solos. |
| Efectos conocidos | Calentamiento del cable · Interferencia de la lámpara LED · Envejecimiento del condensador · Fallo de comunicación del PLC · Mal funcionamiento del circuito de control |
01 Contexto: la nueva frontera de la calidad de la energía
Los ingenieros de calidad de energía han pasado décadas caracterizando y mitigando armónicos en el rango hasta 2 kHz - el quinto, séptimo, undécimo, decimotercer orden armónico que son la firma de los rectificadores de seis pulsos, hornos de arco, y transformadores saturados. Los métodos de medición están bien establecidos., los estándares son completos, y la tecnología de mitigación está madura. Arriba 2 kHz, sin embargo, el paisaje cambia fundamentalmente.
Supraarmónicos: perturbaciones eléctricas en el 2 kHz a 150 Rango de kHz: no es un fenómeno nuevo, pero están creciendo rápidamente. La proliferación de dispositivos electrónicos de potencia conectados a la red: inversores fotovoltaicos, EV cargadores, sistemas de almacenamiento de baterías, controladores LED, y unidades de velocidad variable que utilizan modernos interruptores semiconductores de banda ancha, está llenando el rango de frecuencia supraarmónico con emisiones que el marco de medición de calidad de energía existente no fue diseñado para capturar y que ningún estándar regulatorio actual limita.[1]
Este estudio de caso presenta los hallazgos de la investigación de Pinto., gracial, y baptista (2024) en la Universidad de Trás-os-Montes (Portugal) y Technikum Viena (Austria), Análisis de emisiones supraarmónicas de múltiples inversores fotovoltaicos en una red eléctrica bajo diferentes escenarios de penetración.. El estudio proporciona uno de los relatos publicados más claros sobre las características de las emisiones., mecanismos de propagación, y potencial de interferencia de supraarmónicos generados por energía fotovoltaica en baja- y redes de media tensión.
La electrónica de potencia de la generación anterior utilizaba diodos y tiristores: dispositivos de conmutación pasivos limitados a la conmutación de frecuencia de línea.. Produjeron una distorsión armónica sustancial en el rango de 0 a 2 kHz.. Los inversores modernos utilizan carburo de silicio (Sic) y nitruro de galio (GaN) interruptores que funcionan a frecuencias de conmutación de 20 a 100 kHz o superiores. Estos dispositivos reducen drásticamente la distorsión armónica de baja frecuencia, pero las altas frecuencias de conmutación desplazan el espectro de emisión hacia arriba hasta el rango supraarmónico., donde la medición es más difícil y aún no existen límites regulatorios.[1]
02 ¿Qué son los supraarmónicos??
Los supraarmónicos son componentes de frecuencia presentes en la forma de onda de voltaje o corriente del sistema de energía en el rango de 2 kHz a 150 kHz. Son distintos de ambos armónicos clásicos. (múltiplos enteros de 50/60 frecuencia fundamental, normalmente se aborda hasta el armónico 40. 2 kHz a 50 Hz) y de interferencias electromagnéticas de radiofrecuencia arriba 150 kHz, que se aborda en los estándares CISPR.[1]
El rango supraarmónico se encuentra entre dos dominios bien regulados y atraviesa la brecha entre ellos.. Ni el marco de estándares de calidad eléctrica (IEC 61000 serie, IEEE 519) ni el marco de compatibilidad electromagnética (CISPR) cubre adecuadamente este rango con límites de emisiones específicos para la electrónica de potencia conectada a la red.[1]
Tipos de emisiones en el rango supraarmónico
El estudio identificó tres tipos distintos de emisiones de los inversores fotovoltaicos., cada uno con diferentes características y comportamiento de propagación:[1]
- Emisiones de banda estrecha — concentrado en la frecuencia de conmutación del inversor y sus múltiplos enteros. Para un inversor fotovoltaico que conmuta a 20 kHz, Las emisiones de banda estrecha aparecen en 20 kHz, 40 kHz, 60 kHz, etc. Estos son deterministas y están directamente relacionados con la frecuencia de modulación PWM.
- Emisiones de banda ancha — Distribuidos en un amplio rango de frecuencia., Generalmente causado por transitorios de conmutación y los tiempos finitos de subida y bajada de los interruptores semiconductores.. Cuanto más rápido sea el cambio (como con los dispositivos de SiC y GaN), cuanto más amplio sea el contenido de alta frecuencia del transitorio
- Emisiones que varían en el tiempo — cambiando con la irradiancia solar, cargar, y el punto de funcionamiento del inversor. En niveles de energía bajos o durante transitorios en la nube, el MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) El algoritmo cambia el patrón de conmutación., alterar dinámicamente el espectro de emisión
03 Fuentes y el problema de la intermodulación
Conmutación PWM: el mecanismo de generación principal
Las emisiones supraarmónicas de un inversor fotovoltaico se originan a partir de la modulación de ancho de pulso. (PWM) Proceso de conmutación que convierte la salida de CC del panel fotovoltaico en la salida de CA de frecuencia de red.. Cada evento de conmutación (encender o apagar el interruptor semiconductor) crea una corriente transitoria cuyo contenido de frecuencia se extiende muy por encima de la frecuencia de conmutación fundamental.. Cuanto más rápida sea la transición de conmutación (caracterizado por dI/dt y dV/dt), cuanto mayor sea el contenido de frecuencia y más amplio el espectro de emisión.[1]
Al medir emisiones supraarmónicas en el PCC, el instrumento siempre mide la suma de las emisiones primarias (del dispositivo bajo prueba) y emisiones secundarias (corrientes supraarmónicas de otros dispositivos en la red que fluyen a través del punto de medición). Esta distinción es fundamental para asignar la responsabilidad correctamente, y es una de las razones por las que la atribución de fuentes supraarmónicas es significativamente más compleja que la identificación clásica de fuentes armónicas.. La red de impedancia entre dispositivos determina qué cantidad de las emisiones primarias de cada dispositivo aparece en cada uno de los demás puntos de medición..[1]
Intermodulación: cuando dos dispositivos interactúan
Uno de los hallazgos más importantes en la investigación supraarmónica actual es el fenómeno de intermodulación.. Cuando dos dispositivos electrónicos de potencia con diferentes frecuencias de conmutación están conectados a la misma red, por ejemplo, un inversor fotovoltaico que conmuta en 20 kHz y un cargador de vehículos eléctricos que cambia a 32 kHz: sus emisiones supraarmónicas interactúan a través de la impedancia de la red para producir nuevos componentes de frecuencia en frecuencias de suma y diferencia. (52 kHz, 12 kHz, 72 kHz, etc.) que no fueron emitidos por ninguno de los dispositivos individualmente.[1]
Este fenómeno, conocido en telecomunicaciones como distorsión de intermodulación, se observa ahora en las redes de distribución de energía a medida que aumenta la densidad de dispositivos de alta frecuencia de conmutación.. Significa que el entorno supraarmónico en cualquier punto de la red no es simplemente la superposición de emisiones de dispositivos individuales, sino una combinación compleja de emisiones primarias., emisiones secundarias, y productos de intermodulación cuya composición cambia con la población de dispositivos conectados.
El problema de la intermodulación significa que las emisiones supraarmónicas de un alimentador de distribución con múltiples inversores fotovoltaicos y cargadores de vehículos eléctricos no se pueden predecir sumando las mediciones de emisiones de dispositivos individuales.. La impedancia de la red., la distribución espacial de los dispositivos, y la relación entre sus frecuencias de conmutación son importantes. Esto requiere un enfoque fundamentalmente diferente para la evaluación supraarmónica que los métodos de suma armónica utilizados para los armónicos clásicos..
04 Efectos sobre equipos y redes
Las emisiones supraarmónicas causan una variedad de efectos en los componentes del sistema de energía y los equipos conectados., algunos de los cuales son análogos a los efectos armónicos clásicos y otros son específicos del rango de frecuencia más alto:[1]
- Calentamiento por cable: efecto piel: En altas frecuencias, La corriente se concentra en la superficie del conductor. (efecto piel), reduciendo la sección transversal efectiva y aumentando la resistencia efectiva. Un cable que transporta una corriente supraarmónica significativa se calienta más de lo que su carga de frecuencia industrial por sí sola predeciría.. Los cálculos térmicos basados en la clasificación de corriente de frecuencia industrial no son conservadores en presencia de un contenido supraarmónico significativo.
- Envejecimiento del condensador: Los condensadores presentan baja impedancia a altas frecuencias., dibujando corrientes supraarmónicas en proporción a la frecuencia. Las pérdidas dieléctricas en frecuencias supraarmónicas pueden exceder significativamente las pérdidas en la frecuencia industrial., acelerando la degradación del aislamiento y reduciendo la vida útil. Los condensadores electrolíticos de aluminio en equipos de iluminación son particularmente vulnerables
- Interferencia de la lámpara LED: Los controladores LED son sensibles a las interferencias de alta frecuencia en la tensión de alimentación. La distorsión supraarmónica puede causar una variación perceptible en la salida de luz del LED: un mecanismo de parpadeo diferente del parpadeo por fluctuación de voltaje de 8 a 10 Hz abordado por IEC 61000-4-15, y no capturado por el medidor de parpadeo estándar
- Comunicación de línea eléctrica (PLC) interferencia: Sistemas de medición inteligentes, Comunicaciones SCADA, y las señales de respuesta a la demanda a menudo utilizan frecuencias portadoras de línea eléctrica en el rango supraarmónico (normalmente de 9 a 150 kHz). Las emisiones supraarmónicas de los inversores fotovoltaicos y los cargadores de vehículos eléctricos pueden eclipsar estas señales, provocando fallos de comunicación en la infraestructura de redes inteligentes
- Mal funcionamiento del circuito de control: Las emisiones de alta frecuencia pueden acoplarse en circuitos de control y protección mediante inducción electromagnética o vías conducidas., causando una operación espuria del relé, errores de medición, o fallos de comunicación
- Ruido audible: Frecuencias supraarmónicas en el rango 20 Hz-20 kHz están dentro del rango auditivo humano y pueden causar ruido audible proveniente de los transformadores., cables, y otros componentes magnéticos
Los sistemas inteligentes de medición y respuesta a la demanda, que son fundamentales para la gestión moderna de la red y el control de carga, dependen de las comunicaciones por líneas eléctricas exactamente en el rango de frecuencia donde se concentran más las emisiones supraarmónicas.. Un alimentador de distribución que se está equipando con inversores fotovoltaicos y cargadores de vehículos eléctricos para reducir las emisiones de carbono puede estar degradando simultáneamente la infraestructura de comunicación que gestiona esos dispositivos.. Esto no es una preocupación hipotética: los operadores de red ya están informando sobre fallas de comunicación de PLC en áreas con alta penetración fotovoltaica..
05 Medición: la brecha de estándares
La medición de supraarmónicos requiere tasas de muestreo superiores 300 kHz (por el criterio de Nyquist, para capturar contenido de señal hasta 150 kHz) — significativamente más alto que lo que los instrumentos clásicos de medición de armónicos, que normalmente muestrean a 12-16 kHz, están diseñados para proporcionar. Esto significa que la mayoría de los monitores de calidad de energía existentes, incluso los instrumentos de Clase A que cumplen con IEC 61000-4-30 — no capturar el rango supraarmónico.[1]
Estándares de medición actuales y sus limitaciones.
- IEC 61000-4-7: Especifica la medición armónica e interarmónica usando 200 Bandas de frecuencia Hz hasta 2 kHz. No aborda el rango supraarmónico
- IEC 61000-4-30: Especifica métodos de medición de PQ, incluido un método de agrupación no continua utilizando 2 bandas de frecuencia kHz para frecuencias superiores 2 kHz. Esto proporciona sólo 8% cobertura de señal - 92% de la señal supraarmónica no es capturada. La 2 La agrupación de bandas de kHz también pierde resolución de frecuencia, que es esencial para identificar las frecuencias de conmutación de dispositivos individuales.. Esta norma está actualmente bajo revisión por parte de IEC SC 77A WG9 específicamente para abordar estas deficiencias.[1]
- CISPR 16: Estándar de medición de interferencia electromagnética utilizado anteriormente 9 kHz. Diseñado para EMI conducida y radiada desde equipos., no para monitoreo de PQ del sistema de energía. Utiliza detectores de cuasi pico y promedio en lugar de las mediciones RMS apropiadas para la evaluación de PQ
Una encuesta de PQ realizada con un instrumento Clase A que cumple totalmente con IEC 61000-4-30 informará los parámetros de voltaje y corriente de CC a 2 kHz con alta precisión. Arriba 2 kHz, el mismo instrumento proporciona información fragmentaria, datos de baja resolución que pierden la mayor parte de la energía de la señal supraarmónica. El informe del estudio será técnicamente correcto y no caracterizará en absoluto el entorno supraarmónico.. Esto no es una deficiencia del instrumento o de la práctica de medición: es una brecha en el estándar mismo., que la IEC está trabajando activamente para cubrir.
06 Hallazgos clave del estudio
El estudio de Pinto, gracial, y Baptista analizaron señales supraarmónicas reales de sistemas fotovoltaicos en varios escenarios de red, Examinar la propagación de emisiones y las correlaciones entre diferentes modelos de inversores fotovoltaicos y niveles de penetración.. Los hallazgos clave fueron:[1]
- Cada modelo de inversor fotovoltaico tiene una firma de emisiones distinta — la frecuencia de conmutación y sus armónicos aparecen como picos característicos de banda estrecha en el espectro supraarmónico, Permitir que los modelos de inversores individuales se identifiquen a partir de su patrón de emisión.. Una emisión constante de banda estrecha a la frecuencia de conmutación. (por ejemplo, 20 kHz) es el identificador más confiable
- Las emisiones de banda ancha varían según las condiciones de funcionamiento. — con carga parcial (baja irradiancia solar), el algoritmo MPPT cambia el patrón de conmutación, y el perfil de emisiones de banda ancha cambia en consecuencia. Este carácter variable en el tiempo hace que la caracterización bajo una única condición operativa sea engañosa.
- Los productos de intermodulación son medibles. — cuando hay varios inversores fotovoltaicos con diferentes frecuencias de conmutación en la misma red, Los productos de intermodulación en frecuencias suma y diferencia son detectables., Confirmar que el entorno supraarmónico no es simplemente la suma de emisiones individuales.
- La propagación depende de la impedancia de la red. — las emisiones supraarmónicas se propagan a través de la red según la distribución de impedancias. Cargas capacitivas (incluyendo condensadores de corrección del factor de potencia) presentan baja impedancia en frecuencias supraarmónicas y atraen corrientes supraarmónicas significativas, potencialmente amplificando los niveles de emisiones locales
- Ningún marco regulatorio actual aborda adecuadamente los hallazgos. — el estudio concluye que se necesitan urgentemente regulaciones específicas para el rango de 2 a 150 kHz, que cubre tanto los límites de emisión como la metodología de medición
La emisión de banda estrecha en la frecuencia de conmutación del inversor fotovoltaico es el marcador de identificación de campo más fiable. Si un analizador de calidad de energía con suficiente ancho de banda (300 frecuencia de muestreo kHz+) esta disponible, La búsqueda de picos de banda estrecha en el rango de 10 a 100 kHz revelará las frecuencias de conmutación de los inversores y cargadores conectados.. Los productos de intermodulación, en frecuencias de suma y diferencia, aparecen como picos de banda estrecha adicionales que cambian cuando cambia la frecuencia de conmutación de cualquier dispositivo., que las distingue de las emisiones primarias.
07 Perspectiva de la calidad de la energía
Los supraarmónicos representan la próxima frontera de la ingeniería de calidad de la energía, un fenómeno que está ganando importancia exactamente en el momento en que las herramientas para medirlo y limitarlo aún se están desarrollando.. El paralelo con los armónicos clásicos en los años 1980 y principios de los 1990 es sorprendente.: una nueva clase de cargas no lineales (entonces, VFD y sistemas UPS; ahora, Inversores fotovoltaicos y cargadores de vehículos eléctricos) está introduciendo perturbaciones que el marco regulatorio y de medición existente no fue diseñado para manejar, y la comunidad de ingenieros se apresura a caracterizar el problema antes de que se vuelva inmanejable..
Desde una perspectiva de distribución de servicios públicos, El efecto más inmediato es la amenaza a las comunicaciones de los operadores de líneas eléctricas.. Medición inteligente, respuesta a la demanda, y los sistemas de control de red que dependen de frecuencias PLC en el rango de 9 a 150 kHz son directamente vulnerables al mismo rango de frecuencia donde se concentran las emisiones supraarmónicas.. A medida que la penetración fotovoltaica y la densidad de los cargadores de vehículos eléctricos aumentan en los alimentadores de distribución de BT, La relación señal-ruido para las comunicaciones PLC se degradará, lo que podría socavar la infraestructura de red inteligente destinada a gestionar la transición energética..
Los ingenieros de calidad de energía que desarrollaron su práctica en mediciones de armónicos hasta el orden 40 deben ser conscientes de que el espacio de problemas de PQ ahora se extiende más allá. 2 kHz — y que los instrumentos, estándares, y las herramientas de mitigación para este rango aún están madurando. Una evaluación de PQ que no aborde los supraarmónicos no está mal: simplemente está incompleta para cualquier sitio con una importante generación fotovoltaica o carga de vehículos eléctricos.. La pregunta no es si los supraarmónicos importan, pero cuándo las herramientas de medición y el marco regulatorio se pondrán al día con la realidad física que ya está presente en la red.. Basado en el ritmo de desarrollo de estándares en IEC SC 77A WG9, que la convergencia es probable en los próximos 3 a 5 años. Los ingenieros que se familiaricen con el rango supraarmónico ahora estarán bien posicionados cuando se convierta en una parte obligatoria de cada estudio de PQ..
Referencias
- Pinto J., Grasel B, baptista j. “Análisis de Emisión de Supraarmónicos en Redes Eléctricas: Un estudio de caso de inversores fotovoltaicos.” Electrónica, vuelo. 13, no. 24, p. 4880, 2024. DOI: 10.3390/electrónica13244880. Acceso abierto bajo CC BY 4.0.
- IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 4-7: Técnicas de ensayo y medida. Guía general sobre medidas e instrumentación de armónicos e interarmónicos.. IEC, Ginebra.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 4-30: Técnicas de prueba y medición. Métodos de medición de la calidad de la energía.. IEC, Ginebra.
- IEC 61000-2-2:2002. Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 2-2: Medio ambiente. Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia y señalización en sistemas públicos de suministro de energía de baja tensión.. IEC, Ginebra.
- Rönnberg SK, La pelota MHJ. “Problemas de calidad de energía en el sistema eléctrico del futuro.” El diario de la electricidad, vuelo. 29, no. 10, pp. 49–61, 2016.
Pinto J., Grasel B, baptista j. “Análisis de Emisión de Supraarmónicos en Redes Eléctricas: Un estudio de caso de inversores fotovoltaicos.” Electrónica, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/electrónica13244880 · Lea el artículo original en MDPI →
Publicado en acceso abierto bajo CC BY 4.0. Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario.. La sección Perspectiva PQ (Sección 7) es un comentario editorial original de IPQDF de Denis Ruest., Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.