Supraharmonic Emissions from Photovoltaic Inverters — An Emerging Power Quality Challenge
| Phenomenon | Supraharmonic (SH) emissions in the 2–150 kHz range from grid-connected PV inverters |
| Source | PWM switching in modern high-frequency PV inverters using SiC and GaN semiconductor switches |
| Emission types observed | Narrowband (at switching frequency and multiples) · Broadband · Time-varying |
| Key paradox | New wide-bandgap semiconductors reduce classical harmonics (<2 kHz) but increase supraharmonics (>2 kHz) |
| Regulatory status | No specific emission limits currently exist for the 2–150 kHz range — standards gap |
| Etalon de mesure | CEI 61000-4-7 et CEI 61000-4-30 — tous deux inadéquats pour la caractérisation SH; en révision |
| Risque d'intermodulation | Onduleur photovoltaïque + Les fréquences de commutation des chargeurs EV interagissent pour créer de nouvelles composantes de fréquence qui ne sont présentes dans aucun des deux appareils seuls. |
| Effets connus | Chauffage du câble · Interférence de la lampe LED · Vieillissement du condensateur · Défaillance de la communication API · Dysfonctionnement du circuit de commande |
01 Contexte — La nouvelle frontière de la qualité de l'énergie
Les ingénieurs chargés de la qualité de l'énergie ont passé des décennies à caractériser et à atténuer les harmoniques dans la plage allant jusqu'à 2 kHz — le cinquième, septième, onzième, ordres de treizième harmonique qui sont la signature des redresseurs à six impulsions, fours à arc, et transformateurs saturés. Les méthodes de mesure sont bien établies, les normes sont complètes, et la technologie d'atténuation est mature. Au-dessus de 2 kHz, cependant, le paysage change fondamentalement.
Supraharmoniques - perturbations électriques dans le 2 kHz à 150 gamme kHz - ne sont pas un phénomène nouveau, mais ils connaissent une croissance rapide. La prolifération des appareils électroniques de puissance connectés au réseau: onduleurs photovoltaïques, Chargeurs EV, systèmes de stockage par batterie, Pilotes de LED, et entraînements à vitesse variable utilisant des commutateurs semi-conducteurs modernes à large bande interdite, remplit la gamme de fréquences supraharmoniques avec des émissions que le cadre de mesure de la qualité de l'énergie existant n'a pas été conçu pour capturer et qu'aucune norme réglementaire actuelle ne limite.[1]
Cette étude de cas présente les résultats de la recherche menée par Pinto, Grasel, et Baptista (2024) à l'Université de Trás-os-Montes (Portugal) et Technikum Vienne (Autriche), analyser les émissions supraharmoniques de plusieurs onduleurs photovoltaïques dans un réseau électrique selon différents scénarios de pénétration. The study provides one of the clearest published accounts of the emission characteristics, propagation mechanisms, and interference potential of PV-generated supraharmonics on low- and medium-voltage networks.
Previous-generation power electronics used diodes and thyristors — passive switching devices limited to line-frequency commutation. They produced substantial harmonic distortion in the 0–2 kHz range. Modern inverters use Silicon Carbide (SiC) et nitrure de gallium (GaN) switches operating at switching frequencies of 20–100 kHz or higher. These devices dramatically reduce low-frequency harmonic distortion — but the high switching frequencies shift the emission spectrum upward into the supraharmonic range, where measurement is more difficult and regulatory limits do not yet exist.[1]
02 What Are Supraharmonics?
Supraharmonics are frequency components present in the power system voltage or current waveform in the range from 2 kHz à 150 kHz. They are distinct from both classical harmonics (integer multiples of the 50/60 Hz fundamental, typically addressed up to the 40th harmonic — 2 kHz at 50 Hz) and from radio-frequency electromagnetic interference above 150 kHz, which is addressed by CISPR standards.[1]
The supraharmonic range sits between two well-regulated domains — and falls through the gap between them. Neither the power quality standards framework (CEI 61000 série, IEEE 519) nor the electromagnetic compatibility framework (CISPR) adequately covers this range with specific emission limits for grid-connected power electronics.[1]
Emission types in the supraharmonic range
The study identified three distinct emission types from PV inverters, each with different characteristics and propagation behaviour:[1]
- Narrowband emissions — concentrated at the inverter’s switching frequency and its integer multiples. For a PV inverter switching at 20 kHz, narrowband emissions appear at 20 kHz, 40 kHz, 60 kHz, etc. These are deterministic and directly related to the PWM modulation frequency
- Broadband emissions — spread across a wide frequency range, typically caused by switching transients and the finite rise and fall times of the semiconductor switches. The faster the switching (as with SiC and GaN devices), the broader the high-frequency content of the transient
- Time-varying emissions — changing with solar irradiance, charge, and the inverter’s operating point. At low power levels or during cloud transients, the MPPT (maximum power point tracking) algorithm changes the switching pattern, altering the emission spectrum dynamically
03 Sources and the Intermodulation Problem
PWM switching — the primary generation mechanism
The supraharmonic emissions from a PV inverter originate from the Pulse Width Modulation (PWM) switching process that converts the PV panel’s DC output to the grid-frequency AC output. Every switching event — turning the semiconductor switch on or off — creates a current transient whose frequency content extends far above the fundamental switching frequency. The faster the switching transition (characterised by dI/dt and dV/dt), the higher the frequency content and the broader the emission spectrum.[1]
When measuring supraharmonic emissions at the PCC, the instrument always measures the sum of primary emissions (from the device under test) and secondary emissions (supraharmonic currents from other devices on the network flowing through the measurement point). This distinction is critical for assigning responsibility correctly — and it is one reason why supraharmonic source attribution is significantly more complex than classical harmonic source identification. The impedance network between devices determines how much of each device’s primary emissions appears at every other measurement point.[1]
Intermodulation — when two devices interact
One of the most important findings in current supraharmonic research is the intermodulation phenomenon. When two power electronic devices with different switching frequencies are connected to the same network — for example, a PV inverter switching at 20 kHz and an EV charger switching at 32 kHz — their supraharmonic emissions interact through the network impedance to produce new frequency components at sum and difference frequencies (52 kHz, 12 kHz, 72 kHz, etc) that were not emitted by either device individually.[1]
This phenomenon — well known in telecommunications as intermodulation distortion — is now being observed in power distribution networks as the density of high-switching-frequency devices increases. It means that the supraharmonic environment at any point in the network is not simply the superposition of individual device emissions — it is a complex mix of primary emissions, secondary emissions, and intermodulation products whose composition changes with the connected device population.
The intermodulation problem means that supraharmonic emissions from a distribution feeder with multiple PV inverters and EV chargers cannot be predicted by summing individual device emission measurements. The network impedance, the spatial distribution of devices, and the relationship between their switching frequencies all matter. This requires a fundamentally different approach to supraharmonic assessment than the harmonic summation methods used for classical harmonics.
04 Effects on Equipment and Networks
Supraharmonic emissions cause a range of effects on power system components and connected equipment, some of which are analogous to classical harmonic effects and some of which are specific to the higher frequency range:[1]
- Cable heating — skin effect: At high frequencies, current concentrates on the conductor surface (effet de peau), reducing the effective cross-section and increasing the effective resistance. A cable carrying significant supraharmonic current runs hotter than its power-frequency loading alone would predict. Thermal calculations based on power-frequency current rating are non-conservative in the presence of significant supraharmonic content
- Capacitor aging: Capacitors present low impedance at high frequencies, drawing supraharmonic currents in proportion to the frequency. The dielectric losses at supraharmonic frequencies can significantly exceed the losses at power frequency, accelerating insulation degradation and reducing service life. Aluminium electrolytic capacitors in lighting equipment are particularly vulnerable
- LED lamp interference: LED drivers are sensitive to high-frequency interference on the supply voltage. Supraharmonic distortion can cause perceptible variation in LED light output — a flicker mechanism different from the 8–10 Hz voltage fluctuation flicker addressed by IEC 61000-4-15, and not captured by the standard flickermeter
- Power Line Communication (PLC) interference: Smart metering systems, SCADA communications, and demand response signals often use power line carrier frequencies in the supraharmonic range (typically 9–150 kHz). Supraharmonic emissions from PV inverters and EV chargers can overwhelm these signals, causing communication failures in smart grid infrastructure
- Control circuit malfunction: High-frequency emissions can couple into control and protection circuits through electromagnetic induction or conducted paths, causing spurious relay operation, measurement errors, or communication faults
- Audible noise: Supraharmonic frequencies in the range 20 Hz–20 kHz are within the human auditory range and can cause audible noise from transformers, câbles, and other magnetic components
Smart metering and demand response systems — which are foundational to modern grid management and load control — depend on power line carrier communications in exactly the frequency range where supraharmonic emissions are most concentrated. A distribution feeder that is being equipped with PV inverters and EV chargers to reduce carbon emissions may simultaneously be degrading the communication infrastructure that manages those devices. This is not a hypothetical concern — PLC communication failures in areas with high PV penetration are already being reported by network operators.
05 Measurement — The Standards Gap
The measurement of supraharmonics requires sampling rates above 300 kHz (by the Nyquist criterion, to capture signal content up to 150 kHz) — significantly higher than what classical harmonic measurement instruments, which typically sample at 12–16 kHz, are designed to provide. This means that most existing power quality monitors — even Class A instruments compliant with IEC 61000-4-30 — do not capture the supraharmonic range.[1]
Current measurement standards and their limitations
- CEI 61000-4-7: Specifies harmonic and interharmonic measurement using 200 Hz frequency bands up to 2 kHz. Does not address the supraharmonic range
- CEI 61000-4-30: Specifies PQ measurement methods including a non-continuous grouping method using 2 kHz frequency bands for frequencies above 2 kHz. This provides only 8% signal coverage — 92% of the supraharmonic signal is not captured. La 2 kHz band grouping also loses frequency resolution that is essential for identifying individual device switching frequencies. Cette norme est actuellement en cours de révision par la CEI SC 77A WG9 spécifiquement pour remédier à ces lacunes.[1]
- CISPR 16: Norme de mesure des interférences électromagnétiques utilisée ci-dessus 9 kHz. Conçu pour les EMI conduites et rayonnées provenant d'équipements, pas pour la surveillance PQ du système électrique. Utilise des détecteurs de quasi-crête et de moyenne plutôt que les mesures RMS appropriées pour l'évaluation PQ
Une enquête PQ réalisée avec un instrument de classe A entièrement conforme à la CEI 61000-4-30 rapportera les paramètres de tension et de courant de DC à 2 kHz avec une grande précision. Au-dessus de 2 kHz, le même instrument fournit des informations fragmentaires, données à basse résolution qui manquent la majorité de l'énergie du signal supraharmonique. Le rapport d’enquête sera techniquement correct – et ne parviendra absolument pas à caractériser l’environnement supraharmonique.. Il ne s’agit pas d’une lacune de l’instrument ou de la pratique de mesure, mais d’une lacune dans la norme elle-même., que la CEI s'emploie activement à combler.
06 Principales conclusions de l'étude
L'étude de Pinto, Grasel, et Baptista ont analysé les signaux supraharmoniques réels des systèmes photovoltaïques dans plusieurs scénarios de réseau, examiner la propagation des émissions et les corrélations entre les différents modèles d'onduleurs photovoltaïques et les niveaux de pénétration. Les principales conclusions étaient:[1]
- Chaque modèle d'onduleur photovoltaïque possède une signature d'émission distincte — la fréquence de commutation et ses harmoniques apparaissent comme des pics caractéristiques à bande étroite dans le spectre supraharmonique, permettant d'identifier les modèles d'onduleurs individuels à partir de leur modèle d'émission. Une émission constante à bande étroite à la fréquence de commutation (par exemple, 20 kHz) est l'identifiant le plus fiable
- Les émissions du haut débit varient selon les conditions d’exploitation — à charge partielle (faible rayonnement solaire), l'algorithme MPPT modifie le modèle de commutation, et le profil d'émission à large bande change en conséquence. Ce caractère variable dans le temps rend trompeuse la caractérisation dans une seule condition de fonctionnement.
- Les produits d'intermodulation sont mesurables — lorsque plusieurs onduleurs photovoltaïques avec des fréquences de commutation différentes sont présents sur le même réseau, les produits d'intermodulation aux fréquences somme et différence sont détectables, confirmant que l'environnement supraharmonique n'est pas simplement la somme d'émissions individuelles
- La propagation dépend de l'impédance du réseau — les émissions supraharmoniques se propagent à travers le réseau en fonction de la distribution d'impédance. Charges capacitives (y compris les condensateurs de correction du facteur de puissance) présenter une faible impédance aux fréquences supraharmoniques et générer des courants supraharmoniques importants, amplifiant potentiellement les niveaux d’émissions locales
- Aucun cadre réglementaire actuel ne répond de manière adéquate aux conclusions — l'étude conclut qu'une réglementation spécifique pour la gamme 2–150 kHz est nécessaire de toute urgence, couvrant à la fois les limites d’émission et la méthodologie de mesure
L’émission à bande étroite à la fréquence de commutation de l’onduleur photovoltaïque constitue le marqueur d’identification de champ le plus fiable.. Si un analyseur de qualité d'énergie avec une bande passante suffisante (300 kHz + taux d'échantillonnage) est disponible, la recherche de pics à bande étroite dans la plage de 10 à 100 kHz révélera les fréquences de commutation des onduleurs et des chargeurs connectés. Les produits d'intermodulation - aux fréquences somme et différence - apparaissent comme des pics supplémentaires à bande étroite qui se déplacent lorsque la fréquence de commutation d'un appareil change., ce qui les distingue des émissions primaires.
07 Perspective de la qualité de l'énergie
Les supraharmoniques représentent la prochaine frontière de l’ingénierie de la qualité de l’énergie – un phénomène qui prend de l’importance au moment même où les outils permettant de la mesurer et de la limiter sont encore en cours de développement.. Le parallèle avec les harmoniques classiques des années 1980 et du début des années 1990 est frappant.: une nouvelle classe de charges non linéaires (alors, Systèmes VFD et UPS; maintenant, Onduleurs photovoltaïques et chargeurs de véhicules électriques) introduit des perturbations que le cadre de mesure et de réglementation existant n’a pas été conçu pour gérer, and the engineering community is racing to characterise the problem before it becomes unmanageable.
From a utility distribution perspective, the most immediately consequential effect is the threat to power line carrier communications. Smart metering, demand response, and grid control systems that depend on PLC frequencies in the 9–150 kHz range are directly vulnerable to the same frequency range where supraharmonic emissions are concentrated. As PV penetration and EV charger density increase on LV distribution feeders, the signal-to-noise ratio for PLC communications will degrade — potentially undermining the smart grid infrastructure that is intended to manage the energy transition.
Power quality engineers who built their practice on harmonic measurements up to the 40th order need to be aware that the PQ problem space is now extending above 2 kHz — and that the instruments, standards, and mitigation tools for this range are still maturing. A PQ assessment that does not address supraharmonics is not wrong — it is simply incomplete for any site with significant PV generation or EV charging. The question is not whether supraharmonics matter, but when the measurement tools and regulatory framework will catch up with the physical reality that is already present on the network. Based on the pace of standards development at IEC SC 77A WG9, that convergence is likely within the next 3–5 years. Les ingénieurs qui se familiarisent désormais avec la gamme supraharmonique seront bien placés lorsqu'elle deviendra une partie obligatoire de chaque enquête PQ..
Références
- Pinto J., Grasel B, Baptista J.. “Analyse de l'émission de supraharmoniques dans les réseaux électriques: Une étude de cas des onduleurs photovoltaïques.” Électronique, vol. 13, pas. 24, p. 4880, 2024. DOI: 10.3390/électronique13244880. Accès libre sous CC BY 4.0.
- CEI 61000-4-7:2009+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 4-7: Techniques d'essai et de mesure — Guide général sur les mesures et l'instrumentation des harmoniques et des interharmoniques. CEI, Genève.
- CEI 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 4-30: Techniques d'essai et de mesure — Méthodes de mesure de la qualité de l'énergie. CEI, Genève.
- CEI 61000-2-2:2002. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 2-2: Environnement — Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence et la signalisation dans les systèmes publics d'alimentation électrique basse tension. CEI, Genève.
- Rönnberg SK, Le ballon MHJ. “Problèmes de qualité de l’énergie dans le système électrique du futur.” Le journal de l'électricité, vol. 29, pas. 10, pp. 49-61, 2016.
Pinto J., Grasel B, Baptista J.. “Analyse de l'émission de supraharmoniques dans les réseaux électriques: Une étude de cas des onduleurs photovoltaïques.” Électronique, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/électronique13244880 · Lire l'article original sur MDPI →
Publié en libre accès sous CC BY 4.0. Cette étude de cas est présentée sous forme de synthèse et de commentaire.. La section Perspective PQ (Section 7) est le commentaire éditorial original de l'IPQDF par Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.). IPQDF ne revendique pas la paternité de la recherche originale.