IEEE और UK G5/5 पर आधारित हार्मोनिक अध्ययन

उपयोगिता मानकों के अनुपालन को प्रदर्शित करने के लिए एक हार्मोनिक अध्ययन करना आधुनिक बिजली प्रणालियों को ग्रिड से जोड़ने के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीकी प्रक्रिया है. इन्वर्टर-आधारित संसाधनों और गैर-रेखीय भार के प्रसार के साथ, उपयोगिताएँ अब IEEE जैसे मानकों को सख्ती से लागू करती हैं 519 या यूके G5/5 बिजली की गुणवत्ता और सिस्टम स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए.

नीचे एक तकनीकी मार्गदर्शिका है जो हार्मोनिक अध्ययन करने के लिए व्यवस्थित पद्धति की रूपरेखा बताती है, वर्तमान अंतर्राष्ट्रीय मानकों के आधार पर.

1. मूलभूत अवधारणाएँ और नियामक ढाँचा

गणना शुरू करने से पहले, शासकीय मानकों और चल रही भौतिक घटनाओं को समझना आवश्यक है.

1.1 हार्मोनिक विरूपण को समझना

हार्मोनिक्स साइनसॉइडल वोल्टेज या आवृत्तियों वाली धाराएं हैं जो मौलिक आवृत्ति के पूर्णांक गुणक हैं (उदाहरणार्थ, 60 हर्ट्ज या 50 हर्ट्ज) . They are generated by non-linear loads such as variable frequency drives, LED lighting, and inverters. These distortions can lead to equipment overheating, ट्रांसफार्मर हानि, and protection mal-operation .

1.2 Applicable Standards

The choice of standard depends on your geographic location and utility requirements:

आईईईई एसटीडी 519-2014: Used primarily in North America, this standard sets the quality of power at the Point of Common Coupling (पीसीसी). It limits both the Individual Harmonic Distortion (IHD) and the Total Harmonic Distortion (THD) of voltage and current .
Engineering Recommendation G5/5: Mandatory in the UK, this standard requires a more stringent assessment of both incremental (your plant’s contribution) and total (background + incremental) harmonic voltages, often evaluated up to the 100th harmonic .

2. Data Acquisition and System Modeling

The accuracy of a harmonic study is entirely dependent on the quality of input data.

2.1 Utility Data (Point of Common Coupling)

You must obtain the following from the Distribution Network Operator (DNO) or utility:

Background Harmonic Voltages: Typically based on two weeks of measured data at the PCC to capture normal operating variations .
Harmonic Impedance Loci: This describes how the network impedance varies with frequency. It is critical for identifying potential resonance. The preferred format is ungrouped envelopes for each harmonic order .
Grid Strength: Usually expressed as the Short Circuit Ratio (द.म.रे.) पीसीसी पर.

2.2 Equipment Data (OEM)

The Original Equipment Manufacturer (OEM) must provide a Norton Equivalent Model of the plant (inverter, drive, आदि). This model, essential for accurate simulation, consists of two parts for each frequency :

Norton Current Source: The magnitude and phase angle of the harmonic current injected by the device.
नॉर्टन प्रतिबाधा: The internal impedance of the device, which affects how it interacts with grid resonances.

मौलिक (50 हर्ट्ज) Harmonics Distorted waveform

3तीसरी 12%

5वें 20%

7वें 10%

11वें 5%

13वें 4%

THD = 23.1% Crest factor = 1.38 Peak = 1.32 कर सकता

चित्रा 1: Harmonics Example (Interactive)

Distorted waveform resulting from the combination of fundamental and harmonic frequencies (Fully interactive).

3. Step-by-Step Harmonic Analysis Methodology

Once the data is gathered, the study proceeds through a series of analytical steps using specialized software (उदाहरणार्थ, ईटीएपी, DIgSILENT PowerFactory).

3.1 फ़्रिक्वेंसी स्कैन विश्लेषण

The first step is a frequency sweep to identify resonant conditions. The software injects a current of varying frequency and measures the impedance.

उद्देश्य: Identify parallel (उच्च प्रतिबाधा) and series (कम प्रतिबाधा) resonance points.
जोखिम: If a resonance peak aligns with a characteristic harmonic frequency (उदाहरणार्थ, 5वें, 7वें, 11वें), harmonic voltages will be amplified, leading to high distortion .

मुक़ाबला |Z| (Ω) आगमनात्मक ωL कैपेसिटिव 1/ωC गूंज (300 हर्ट्ज)

च₁ = 60 हर्ट्ज — fundamental च_{आर ई} = 300 हर्ट्ज - 5वाँ हार्मोनिक क्रम Z_शिखर ≈ 38 Ω -समानांतर प्रतिध्वनि क्यू ≈ 8 - गुणवत्ता कारक

चित्रा 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

FORMULA: वी_{घंटे} = मैं_{घंटे} \

times Z_{घंटे}

जहां: में_घंटे is the harmonic voltage, मैं_घंटे is the harmonic current, और Z_घंटे is the grid impedance at harmonic order घंटे.

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

3.3 Calculate Total Harmonic Distortion

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

Total Voltage Harmonic Distortion (टीएचडीवी): The root mean square (आरएमएस) 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" (उदाहरणार्थ, आईईईई 519 limits for voltage quality or G5/5 Planning Levels) .

प्रणाली: 50 हर्ट्ज 60 हर्ट्ज वोल्टेज स्तर (आईईईई 519):

Measured IHD (%में) आईईईई 519 आप LIMIT G5/5 planning level

टीएचडीवी = - आईईईई 519 THD limit = - स्थिति: -

चित्रा 3: Voltage Harmonics (Interactive)

Bar chart representation of individual harmonic voltages (वी.एन.) 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, डेटा केंद्र) .

Plant — Norton model (OEM) Utility / ग्रिड सामान्य युग्मन का बिंदु Iₙ(घंटे) Norton वर्तमान Zₙ(घंटे) Norton मुक़ाबला Iₕ → Vₕ Zg(घंटे) ग्रिड मुक़ाबला Vₕ = Iₙ(घंटे) · Zg(घंटे) · Zₙ(घंटे) / ( Zₙ(घंटे) + Zg(घंटे) ) Simplified when Zₙ >> Zg : Vₕ ≈ Iₙ(घंटे) · Zg(घंटे)

चित्रा 4: Harmonics Impedance Loci

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

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

4. Compliance Verification and Reporting

4.1 Comparison with Limits

Create a summary table comparing the calculated values against the standard limits. For IEEE 519, this involves checking:

आईईईई 519 तालिका 1: Voltage distortion limits at the PCC.
आईईईई 519 तालिका 2: Current distortion limits based on the I_{अनुसूचित जाति}/I_L ratio (Short circuit current vs. Load current) .

4.2 शमन रणनीतियाँ

यदि सीमाएँ पार हो जाती हैं, अध्ययन को समाधान प्रस्तावित करना चाहिए:

निष्क्रिय फ़िल्टर: Tuned to shunt specific harmonic frequencies.
सक्रिय सुरीले फ़िल्टर: हार्मोनिक्स को रद्द करने के लिए विरोधी धाराओं को इंजेक्ट करें.
प्रतिबाधा संशोधन: सिस्टम को डीट्यून करने के लिए ट्रांसफार्मर कनेक्शन बदलना या रिएक्टर जोड़ना .

4.3 तीन-चरणीय सत्यापन दिशानिर्देश

जैसा कि हाल के आईईईई दिशानिर्देशों में बताया गया है, अनुपालन को तीन-चरणीय प्रक्रिया में संक्षेपित किया जा सकता है :

1. इंटरकनेक्शन के बिंदु पर डेटा मापें (तब).
2. डेटा पर सांख्यिकीय मूल्यांकन करें.
3. परिणामों की तुलना सही IEEE सीमा से करें.