間高調波 — 標準的な高調波アナライザでは検出されない電力品質の乱れ
| 定義 | 基本波の整数倍ではない周波数成分 — 例:. 75 ヘルツ, 130 ヘルツ, 267 Hz 50 Hz系 |
| IECの定義 | IEC 61000-2-1: “電源周波数の電圧と電流の高調波の間, 基本波の整数ではないさらなる周波数も観察できます。” |
| 古典的なソース | サイクロコンバーター · アーク炉 · 可変速度の AC/DC ドライブ · 誘導炉 · 基本波と同期していない脈動負荷 |
| 新しい DER ソース | 太陽光発電インバータ (MPPT アルゴリズムのリップル) ・風力タービン (すべり周波数) ・EV充電器 (スイッチングの非対称性) ・HVDCコンバータ (制御ループの相互作用) |
| 最も危険な効果 | フリッカー — 周波数 f の次高調波IH ビート周波数で電圧フリッカが発生します |FIH - 50| ヘルツ. 0 ～ 15 Hz のビート周波数で, ちらつきは人間の視覚感度のピークの範囲内にあります |
| フィールドケース | PVパネルを使用したLV設置 + EV充電器 + マイクロ波 - 同時動作により確率的次数高調波が発生し、光のちらつきや DC バス電圧の変動が発生します。 |
| 測定の問題 | 標準的な FFT ベースの高調波アナライザ (IEC 61000-4-7) 基本波の整数倍を仮定します - 間高調波を離散音成分ではなく拡散ノイズとして誤って読み取ります |
| 規制状況 | IEC 61000-3-6 MV/HV での次数間高調波の計画レベルを提供しますが、LV での個々の機器の排出制限は確立されていません |
01 間高調波とは?
古典的な高調波解析では、電力システムの電圧および電流波形内のすべての非正弦波成分が基本周波数の整数倍で構成されていると想定しています。 100 ヘルツ, 150 ヘルツ, 200 ヘルツ, 250 ヘルツ, などで 50 ヘルツ. この仮定は、ほとんどの従来の非線形負荷の定常状態動作に当てはまります。: 強力な AC 電源に接続された 6 パルス整流器は、5 次高調波電流を生成します。, 7番目の, 11番目の, 13番目の注文, そしてその大きさは時間の経過とともに比較的一定です.
間高調波はこの仮定を破る周波数成分です. それらは基本波の整数倍ではない周波数で発生します。 75 ヘルツ, 130 ヘルツ, 183 ヘルツ, 267 ヘルツ, または高調波次数間のその他の値. IEC 61000-2-1 それらを正確に定義します: “電源周波数の電圧と電流の高調波の間, 基本波の整数ではないさらなる周波数も観察できます。. それらは、離散周波数または広帯域スペクトルとして現れることがあります。”
間高調波成分が基本周波数を下回る場合 — たとえば、, 35 Hzまたは 20 Hz 50 Hz システム — サブハーモニックと呼ばれることもあります. IEC 61000-2-1 とメモしています “分数高調波という用語には正式な定義はありませんが、電力システムの周波数よりも低い周波数成分に対する次高調波の特殊な場合にすぎません。. 準同期周波数成分という用語を使用することが好ましい。” 低調波は、回転機械の機械的共振、つまりタービン シャフトのねじり振動を引き起こす可能性があるため、特に問題になります。, たとえば、基本波よりも低い周波数で, 標準の振動減衰が機能するように設計されていない場合.
02 ソース — 伝統的なものと新しいもの
間高調波は、電力変換装置が主電源周波数に同期していない周波数でエネルギーを処理するたびに発生します。. 変換プロセスの出力周波数は主電源周波数を変調します。, 変換周波数と主電源周波数およびその高調波との差によって決定される周波数で、側波帯（高調波間成分）を生成します。.
| ソースの種類 | 生成メカニズム | 代表的な次数間高調波周波数 | 傾向 |
|---|---|---|---|
| サイクロコンバーター | 直接AC/AC周波数変換により、任意の出力周波数fで出力を生成アウト — 間高調波 |NF手 ±MFアウト| | 連続スペクトル — 出力速度に依存 | レガシー — 圧延機, 大型ドライブ |
| アーク炉および誘導炉 | カオス的なアーク電流はランダムで非周期的な波形を生成します - すべての周波数が同時に存在します | 広帯域 — 以下の連続スペクトル 2 kHzの | 安定性 – 今でも広く使用されている |
| 可変速度の VFD | 非整数速度比の場合, VFD 出力周波数と高調波は主電源周波数に対してビートします - 間高調波はビート周波数に現れます | モーター速度に応じて変化します - 加速中に連続的にスイープします | 成長中 – 業界で支配的 |
| 太陽光発電インバータ (MPPT) | 最大電力点追跡アルゴリズムにより、動作点が定期的に摂動されます。DC バス上のリップルにより、摂動周波数とその高調波で次間高調波注入が発生します。 | 通常、高調波付近の 5 ～ 100 Hz の側波帯 | 急成長 – 有力な新規ソース |
| 風力タービン | 可変ローター速度によりスリップ周波数が生成される (Fローター ≠f手) — nf での次数間高調波手 ±fスリップ | 風速によって異なります - 通常は 45 ～ 55 Hz の範囲です (基本に近い) ビートの作成 | 急速に成長 - オフショア, 陸上 |
| EVの充電器 | スイッチング周波数の非対称性と DC バスリップルにより相互変調積が生成され、グリッド電圧自体が歪むとさらに悪化します | 2基本波と高調波付近の –10 Hz 側波帯 | 急速に成長している — 住宅用, コマーシャル |
| HVDCコンバータ | AC 側と DC 側の間の制御ループの相互作用により、準同期発振、つまり制御ループ周波数での相互高調波が生成されます。 | 準同期 (5–45Hz) — 送電網の安定性にとって潜在的に危険 | 増大 — TSO にとって大きな懸念事項 |
従来の次数間高調波ソース — サイクロコンバーター, アーク炉 - 大きかった, 識別可能な, 通常、接続ポイントで PQ への影響を評価および管理できる産業施設に設置されます。. 新しい DER ベースの次間高調波発生源 — PV インバーター, 風力タービン, EV充電器 - 小型, 多数の, 地理的に分散した, 個別の PQ 影響評価を行わずに設置される. 各デバイスが生成する次数間高調波放射は、個々の機器の制限を下回ります。. しかし、同じ LV フィーダ上で同時に動作する何千ものデバイス, それぞれがわずかに異なる周波数で確率的間高調波放射を行う, 既存の LV インフラストラクチャの設計では予期されておらず、現在の監視機器では特徴付けられない複合相互高調波環境を作成する.
03 エフェクト — フリッカー, 設備の故障, とグリッド振動
ちらつき — 最も敏感な効果
間高調波の最も重要で最もよく文書化されている影響は、電圧フリッカーです。. 周波数 f における次高調波成分IH 基本波電圧を変調します, ビート周波数で振幅変動を生成する |FIH – f基本|. で 50 Hz系, 間高調波 55 Hz ではちらつきが発生します。 5 Hz — IEC フリッカーメーターによって特徴付けられる、人間のピーク視覚感度の 1 ～ 15 Hz の範囲に正確に収まります。. 間高調波 62 Hzが生成する 12 Hzのちらつき. フリッカーの強度は次数間高調波の振幅に比例します: のみの相互高調波でも 5% 振幅により、IEC に合格しない目に見えるちらつきが発生する可能性があります。 61000-4-15 フリッカーメーターの評価.
整流器負荷における DC バス電圧の変動
電源電圧の中間高調波成分により、ダイオード整流器 (可変周波数ドライブの DC バス コンデンサ) で見られるピーク電圧がサイクルごとに変動します。, UPSシステム, およびスイッチモード電源. これらの DC バス電圧の変動により、コンデンサの不均一な充電と放電が発生します。, DC バス上にリップルが発生し、ドライブの制御システムがこれを管理する必要がある. 高い間高調波振幅の場合, DC バスの変動により、ドライブの過電圧または不足電圧保護がトリガーされる可能性があり、供給品質の問題ではなく機器の故障として現れる予期せぬトリップが発生する可能性があります。.
グリッド振動と亜同期共振
準同期間高調波 — 以下のコンポーネント 50 Hz - シャフト発電機システムの自然な機械的共振周波数と一致する周波数で、大型タービン発電機シャフトのねじり共振を励起する可能性があります。. この亜同期共振 (SSR) このメカニズムは、直列補償送電線を介して接続された火力発電所で致命的なシャフト故障を引き起こしました. 最新の電力システムでは, HVDC コンバータの制御ループの相互作用により、相互接続された AC ネットワークを通じて伝播する同様の準同期発振が発生する可能性があります。HVDC 容量が拡大するにつれて懸念が増大しています。.
04 フィールドケース — PV, HOME, 同じ LV 回路上の電子レンジと
A 2025 MDPI Sustainability の論文は、特に現代の家庭用低電圧設備における次高調波発生の具体的な現場測定を提供します。, PVパネルを備えた回路, EV充電器, 電子レンジも同時稼働. この組み合わせは、DER の導入率が高い先進国における新たな標準的な住宅エネルギー環境を表しています。.
この研究の重要な発見は、これら 3 つのデバイスを同時に動作させると、確率的な影響が生じるということです。, 確率的な次高調波放射 — 決定論的なものではない, 古典的な非線形負荷の予測可能な調和パターン. 間高調波の周波数と振幅はサイクルごとにランダムに変化します, によって駆動される:
- 太陽光発電インバータ MPPT アルゴリズム — 摂動と観察のアルゴリズムは、主電源に同期していない速度で動作点を変化させます。, 摂動周波数とその側波帯に主電源高調波による次数間高調波を注入する
- EV充電器の切り替え — 充電器のスイッチング周波数はバッテリーの充電状態によってわずかに変化します, 固定値にとどまるのではなく、周波数範囲全体にわたってスイープする次数間高調波放射を生成します。
- マイクロ波マグネトロン — マグネトロン発振周波数が主電源に正確に同期していない, 50 ～ 3000 Hz の範囲で広帯域の次高調波成分を生成
この研究は、複数の次高調波発生源が同時に動作すると、, 総間高調波成分は、個々の寄与の合計よりも大幅に高くなる可能性があります。これは、超加法的な集合効果です。. これは、2 つのソースが近い周波数で相互高調波を生成する場合に発生しますが、同一ではありません。, ビート周波数で合成振幅を増幅するビートパターンを作成する. 間高調波を生成する PV インバータの場合 53 Hz とそれを生成する EV 充電器 54 同時にHz, コンポジット信号には 1 Hz ビート - 非常に遅い振幅変調。, 十分な振幅で, で知覚可能なちらつきが発生します 1 ヘルツ. 個々のデバイスだけでこのちらつきが発生することはありません.
この論文の方法論的貢献は、間高調波発生の確率モデルです。リアルタイム測定に適合した確率密度関数を使用して、平均間高調波振幅だけでなくその統計的分布を特徴づけます。. この確率論的なアプローチは、決定論的な最悪の場合のモデルよりも正確であり、単純な統計的要約よりも有用です。: これにより、指定された間高調波振幅を超える頻度を予測できます。, これは、95 パーセンタイル値として表される計画レベルへの準拠を評価するために必要な情報です。. のために 50 Hz系, IEC 61000-3-6 LV での次数間高調波の計画レベルは 0.2% — 確率モデルにより、エンジニアは特定の設置における次数間高調波分布の 95 パーセンタイルがこのレベルを超えているかどうかを判断できます。.
05 測定への挑戦
間高調波は、古典高調波では発生しない基本的な測定上の問題を引き起こします。: 標準測定法は整数倍の周波数成分を対象に設計されており、非整数成分を正しく特性評価することが体系的にできていません。.
IEC 61000-4-7 制限
IEC 61000-4-7 — 高調波アナライザの標準測定法 — は、 200 ms測定ウィンドウ (10 でのサイクル 50 ヘルツ) そして DFT を適用して次の高調波サブグループを生成します。 50 Hz間隔. 正確にスペクトル成分 75 ヘルツ (第 1 高調波と第 2 高調波の中間 50 Hzと 100 ヘルツ) 単一のビンに集中するのではなく、複数のビンに分散した DFT 出力を生成します。これは、離散的なノイズとしてではなく、高調波次数間の上昇したノイズとして現れます。 75 Hz成分. 次に、規格はこのビン間エネルギーを最も近い高調波サブグループに割り当てます。, 高調波の振幅が増大し、次次高調波が完全に見えにくくなる可能性があります。.
周波数分解能の問題
A 200 ms 測定ウィンドウは、次の周波数分解能を提供します。 1/0.2 = 5 ヘルツ. これは、次の高調波成分に近いことを意味します。 5 Hz の間隔は解決できません。それらは単一の拡張されたスペクトル特徴として表示されます。. 間高調波については、 52 Hzと 54 Hz — どちらも異なる DER デバイスからの可能性があります — これらは、ある問題では解決できません 200 ミリ秒ウィンドウ. 問題を解決するには、より長い測定ウィンドウが必要です: 1 2番目に 1 Hzの分解能, 10 秒間 0.1 Hzの分解能. しかし、ウィンドウが長くなると、次数間高調波周波数が測定中に変化する可能性が高くなります。これは、周波数がモーター速度に応じて継続的に変化する VFD で生成される次数次高調波に共通する問題です。.
| 測定方法 | 周波数分解能 | 間高調波検出 | 標準 |
|---|---|---|---|
| IEC 61000-4-7 DFT (200 MS) | 5 ヘルツ | 悪い — ビン全体に相互高調波が広がります, 高調波成分として誤認される | IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008 |
| 拡張ウィンドウDFT (1 の) | 1 ヘルツ | 定常的な次数間高調波には適していますが、時間とともに変化する高調波には適していません | 研究実践 |
| 補間FFT / ウィフト | サブヘルツ解像度 | 良好 — スペクトル漏れを低減します, より良い次間高調波振幅推定 | IEEE P519.1ワーキンググループ |
| 時間周波数法 (ウェーブレット, STFT) | 変数 | 時間変化に最適 — 時間の経過に伴う周波数の変化を捕捉します | 研究 – まだ標準化されていない |
| 確率モデル (PDF フィッティング) | 統計的 | 確率的ソースに最適 (PV, HOME) — 平均値だけでなく分布を特徴づける | MDPIの持続可能性 2025 |
06 電力品質の観点
間高調波は、すべての標準フレームワークの間にある電力品質の乱れです。. 電力システムの安定性研究で使用される古典的な機械共振解析には周波数が高すぎます。. EMC 解析には周波数が低すぎます。, で始まる 150 kHzの. これらは、IEC の高調波放射制限によって対処されていません。 61000-3-2 (これは 40 次までの整数高調波に適用されます。). また、それらは IEC の標準測定法によって正しく特性化されていません。 61000-4-7.
その結果、太陽光発電インバータによって駆動されるDERの普及が増加するにつれて、障害クラスの重要性が増大しています。, 風力タービン, EVの充電器, および HVDC リンク - しかし、ほとんどの電力会社や産業技術者が導入した測定インフラストラクチャには体系的に認識されません。. PQ アナライザが IEC を実行している場合 61000-4-7 目に見えるちらつきを発生させているサイトでクリーンな高調波のコンプライアンスを示します, 間高調波は、標準的な解析では見逃される可能性が最も高い説明です。.
ユーティリティ PQ エンジニアリングの観点から, 標準的な高調波解析では観測された問題を説明できない場合、次数間高調波を特定するための実用的なプロトコル - 明白な原因のないちらつき, 原因不明の VFD トリップ, 高調波次数間のノイズの増加 — です: 初め, 測定ウィンドウを超えて拡張する 200 周波数分解能を向上させるためのミリ秒; 第2, 高調波のサブグループだけではなく、高調波次数間の全スペクトルに注目します。; 三番目, 相互高調波周波数を、接続された機器の既知の機械周波数またはスイッチング周波数と相関させます。. モーターを駆動する VFD 1,450 4 極機の rpm は、次の滑り周波数を生成します。 |50 - 1450/60| = |50 - 24.17| = 25.83 Hz — および次数間高調波 50 ± 25.83 = 24.17 Hzと 75.83 ヘルツ. スペクトル成分を見つける 75.83 供給電圧の Hz により、VFD がソースであることが高い信頼性で確認されます。. この体系的なアプローチは、説明不可能な問題を変革します。 “測定ノイズ” 診断されたものの観察, PQ 問題に起因する.
参照
- モヨRT 他. “複数の持続可能な電源と電気自動車の並列運転から生じる間高調波の時間領域の集約。” 持続可能性, 17(3), 1214, 2月 2025. DOI: 10.3390/su17031214. オープンアクセス CC BY 4.0.
- IEC 61000-2-1:1990. 電磁両立性 — 環境の説明 — 公共電源システムにおける低周波伝導妨害および信号伝達の電磁環境. IEC, ジュネーブ. (間高調波の定義。)
- IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008. テストおよび測定技術 — 電源システムおよびそれに接続されている機器の高調波および中間高調波の測定と計測器に関する一般的なガイド. IEC, ジュネーブ.
- IEC 61000-3-6:2008. 制限 — 歪ませる設備を MV に接続する場合の排出制限の評価, HVおよびEHV電源システム. IEC, ジュネーブ.
- 高調波モデリングとシミュレーションに関する IEEE タスクフォース. “次数間高調波: 理論とモデリング。” 電力供給上のIEEEトランザクション, フライト. 22, しない. 4, PP. 2335–2348, 2007.
- ヨン・ジェイ, チェン・L, チェン・S. “バックグラウンド高調波と中間高調波のモデリング。” 電力供給上のIEEEトランザクション, フライト. 26, しない. 2, PP. 900–909, 2011.
一次情報源: モヨRT 他. “複数の持続可能な電源と電気自動車の並列運転から生じる間高調波の時間領域の集約。” 持続可能性, MDPI, 17(3), 1214, 2月 2025. DOI: 10.3390/su17031214. オープンアクセス CC BY 4.0. 参考文献: IEC 61000-2-1 (定義), IEC 61000-4-7 (測定), 高調波に関する IEEE タスクフォース (2007).
SVG 図と PQ パースペクティブ (セクション 6) Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。). IPQDF は元の研究の著者であることを主張していません.