Estudio armónico basado en IEEE y UK G5/5

Realizar un estudio armónico para demostrar el cumplimiento de los estándares de servicios públicos es un proceso técnico crítico para conectar sistemas eléctricos modernos a la red.. Con la proliferación de recursos basados en inversores y cargas no lineales, Las empresas de servicios públicos ahora hacen cumplir estrictamente estándares como IEEE 519 o UK G5/5 para garantizar la calidad de la energía y la estabilidad del sistema..

A continuación se muestra una guía técnica que describe la metodología sistemática para realizar un estudio armónico., basado en estándares internacionales actuales.

1. Conceptos fundamentales y marco regulatorio

Antes de comenzar los cálculos, Es esencial comprender las normas que lo rigen y los fenómenos físicos en juego..

1.1 Comprender la distorsión armónica

Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. (por ejemplo, 60 Hz o 50 Hz) . Son generados por cargas no lineales como los variadores de frecuencia., iluminación LED, e inversores. Estas distorsiones pueden provocar el sobrecalentamiento del equipo., pérdidas del transformador, y mal funcionamiento de la protección .

1.2 Normas aplicables

La elección del estándar depende de su ubicación geográfica y de los requisitos de servicios públicos.:

IEEE Std 519-2014: Utilizado principalmente en América del Norte., Esta norma establece la calidad de la energía en el punto de acoplamiento común. (PCC). Limita tanto la distorsión armónica individual (CI) y la distorsión armónica total (THD) de voltaje y corriente .
Recomendación de ingeniería G5/5: Obligatorio en el Reino Unido, Esta norma requiere una evaluación más estricta tanto de la (el aporte de tu planta) y total (fondo + incremental) voltajes armónicos, A menudo se evalúa hasta el armónico 100. .

2. Adquisición de datos y modelado de sistemas

La precisión de un estudio armónico depende completamente de la calidad de los datos de entrada..

2.1 Datos de utilidad (Punto de acoplamiento común)

Debe obtener lo siguiente del Operador de la Red de Distribución (ABAJO) o utilidad:

Tensiones armónicas de fondo: Generalmente se basa en dos semanas de datos medidos en el PCC para capturar variaciones operativas normales. .
Loci de impedancia armónica: Esto describe cómo la impedancia de la red varía con la frecuencia.. Es fundamental para identificar posibles resonancias.. El formato preferido es el de sobres desagrupados para cada orden armónico. .
Fuerza de la red: Generalmente expresado como relación de cortocircuito (SCR) en el PCC.

2.2 Datos del equipo (OEM)

El fabricante de equipos originales (OEM) debe proporcionar un modelo equivalente a Norton de la planta (inversor, drive, etc.). este modelo, esencial para una simulación precisa, consta de dos partes para cada frecuencia :

Fuente de corriente Norton: La magnitud y el ángulo de fase de la corriente armónica inyectada por el dispositivo..
Impedancia Norton: La impedancia interna del dispositivo., lo que afecta la forma en que interactúa con las resonancias de la red.

Fundamental (50 Hz) Armonía Forma de onda distorsionada

3rd 12%

5ª 20%

7ª 10%

11ª 5%

13ª 4%

THD = 23.1% Factor de cresta = 1.38 Pico = 1.32 podría

Figura 1: Ejemplo de armónicos (Interactivo)

Forma de onda distorsionada resultante de la combinación de frecuencias fundamentales y armónicas. (Totalmente interactivo).

3. Metodología de análisis armónico paso a paso

Una vez recopilados los datos, El estudio avanza a través de una serie de pasos analíticos utilizando software especializado. (por ejemplo, ETAP, Fábrica de energía DIgSILENT).

3.1 Análisis de escaneo de frecuencia

El primer paso es un barrido de frecuencia para identificar condiciones resonantes.. El software inyecta una corriente de frecuencia variable y mide la impedancia..

Objetivo: Identificar paralelo (alta impedancia) y serie (baja impedancia) puntos de resonancia.
Riesgo: Si un pico de resonancia se alinea con una frecuencia armónica característica (por ejemplo, 5ª, 7ª, 11ª), Los voltajes armónicos se amplificarán., leading to high distortion .

Impedancia |La| (Z) Inductivo ωL Capacitivo 1/ωC Resonancia (300 Hz)

F₁ = 60 Hz — fundamental F_res = 300 Hz - 5to orden armónico La_pico ≈ 38 Z — resonancia paralela Q ≈ 8 — factor de calidad

Figura 2: Harmonics Resonance at the 5th harmonic (example)

Impedance vs. Frequency plot showing a parallel resonance peak.

Using the Norton model of the plant and the grid impedance, calculate the voltage distortion caused only by your new equipment.

3.2 Calculate Incremental Harmonic Voltages

Fórmula: V_{h} = yo_{h} \

times Z_{h}

Donde: En_h is the harmonic voltage, Yo_h is the harmonic current, y La_h is the grid impedance at harmonic order h.

Compliance Check: This value must be below the "Incremental Limits" set by the utility or standard (por ejemplo, G5/5 Stage 1 límites) .

3.3 Calculate Total Harmonic Distortion

This combines the incremental contribution with pre-existing background distortion.

Total Voltage Harmonic Distortion (THDv): The root mean square (RMS) of all harmonic voltages, expressed as a percentage of the fundamental voltage.
Compliance Check: The THDv and individual harmonic voltages must remain below the "Total Limits" (por ejemplo, IEEE 519 limits for voltage quality or G5/5 Planning Levels) .

Sistema: 50 Hz 60 Hz Nivel de voltaje (IEEE 519):

Measured IHD (%En) IEEE 519 límite G5/5 planning level

THDv = - IEEE 519 THD limit = - Estado: -

Figura 3: Voltage Harmonics (Interactivo)

Bar chart representation of individual harmonic voltages (VN) as a percentage of the fundamental .

G5/5 and similar standards require checking that the new connection does not negatively affect neighboring customers. This involves simulating the impact at adjacent substations or sensitive locations (hospitals, centros de datos) .

Plant — Norton model (OEM) Utilidad / red Punto de acoplamiento común Iₙ(h) Norton corriente Zₙ(h) Norton impedancia Iₕ → Vₕ Zg(h) Cuadrícula impedancia Vₕ = Iₙ(h) · Zg(h) · Zₙ(h) / ( Zₙ(h) + Zg(h) ) Simplified when Zₙ >> Zg : Vₕ ≈ Iₙ(h) · Zg(h)

Figura 4: Harmonics Impedance Loci

Impedance loci plotted on the R-X plane, showing how impedance changes with frequency [citación:4].

The final step is to compile the results into a formal report for the utility.

4. Verificación de cumplimiento e informes

4.1 Comparación con límites

Cree una tabla de resumen que compare los valores calculados con los límites estándar.. Para IEEE 519, esto implica verificar:

IEEE 519 Mesa 1: Límites de distorsión de voltaje en el PCC.
IEEE 519 Mesa 2: Límites de distorsión actuales basados en el I_{SC}/relación I_L (Corriente de cortocircuito vs.. Corriente de carga) .

4.2 Estrategias de mitigación

Si se exceden los límites, el estudio debe proponer soluciones:

Filtros pasivos: Sintonizado para desviar frecuencias armónicas específicas.
Los filtros activos de armónicos: Inyecte corrientes opuestas para cancelar armónicos..
Modificación de impedancia: Cambiar las conexiones del transformador o agregar reactores para desafinar el sistema .

4.3 La pauta de verificación en tres pasos

Como se describe en las directrices recientes del IEEE, El cumplimiento se puede resumir en un proceso de tres pasos. :

1. Medir datos en el Punto de Interconexión (ENTONCES).
2. Realizar una evaluación estadística de los datos..
3. Compare los resultados con los límites IEEE correctos.