太陽光発電インバーターからの超高調波放出 — 電力品質の新たな課題
| 現象 | 超高調波 (SH) 系統接続された太陽光発電インバータからの 2 ～ 150 kHz 範囲の放射 |
| ソース | SiC および GaN 半導体スイッチを使用した最新の高周波 PV インバータの PWM スイッチング |
| 観測された放出の種類 | ナローバンド (スイッチング周波数とその倍数で) · ブロードバンド · 時間変動 |
| 重要なパラドックス | 新しいワイドバンドギャップ半導体が古典高調波を低減 (<2 kHzの) ただし超高調波を増加させる (>2 kHzの) |
| 規制状況 | 現在、2 ～ 150 kHz の範囲には特定の放射制限は存在しません - 規格ギャップ |
| 測定基準 | IEC 61000-4-7 およびIEC 61000-4-30 — どちらも SH の特性評価には不適切; 改訂中 |
| 相互変調リスク | 太陽光発電インバータ + EV 充電器のスイッチング周波数が相互作用して、どちらのデバイスにも単独では存在しない新しい周波数成分が生成されます。 |
| 既知の影響 | ケーブル発熱・LEDランプ干渉・コンデンサの経年劣化・PLC通信異常・制御回路異常 |
01 コンテキスト — 電力品質の新たなフロンティア
電力品質エンジニアは数十年をかけて、次の範囲の高調波を特徴づけ、軽減してきました。 2 kHz — 5番目, 7番目, 11番目, 6 パルス整流器の特徴である 13 次高調波, アーク炉, および飽和変圧器. 測定方法は十分に確立されている, 基準は包括的です, 緩和技術は成熟しています. その上 2 kHzの, しかしながら, 風景は根本的に変わります.
超高調波 — 内部の電気的擾乱 2 kHzまで 150 kHz 範囲 - これは新しい現象ではありません, しかし、彼らは急速に成長しています. 系統接続されたパワーエレクトロニクスデバイスの普及: 太陽光発電インバータ, EVの充電器, 蓄電池システム, LEDドライバー, 最新のワイドバンドギャップ半導体スイッチを使用した可変速ドライブ, 超高調波周波数範囲は、既存の電力品質測定フレームワークが捕捉するように設計されておらず、現在の規制基準の制限もない放射で満たされています。.[1]
このケーススタディは、ピントによる研究結果を示しています。, グレイセル, そしてバプティスタ (2024) トラスオスモンテス大学にて (ポルトガル) そしてテクニクム・ウィーン (オーストリア), さまざまな普及シナリオの下で、電力ネットワーク内の複数の PV インバータからの超高調波放出を分析する. この研究は、排出特性について最も明確に発表された説明の 1 つを提供します。, 伝播メカニズム, および低域での PV で生成された超高調波の干渉の可能性- および中電圧ネットワーク.
前世代のパワー エレクトロニクスでは、ダイオードとサイリスタが使用されていました。パッシブ スイッチング デバイスは、ライン周波数の整流に限定されていました。. 0 ～ 2 kHz の範囲でかなりの高調波歪みが発生しました。. 最新のインバーターは炭化ケイ素を使用しています (SiC) および窒化ガリウム (GaN) 20 ～ 100 kHz 以上のスイッチング周波数で動作するスイッチ. これらのデバイスは低周波高調波歪みを大幅に軽減しますが、スイッチング周波数が高いため、放射スペクトルが超高調波範囲にシフトします。, 測定がより難しく、規制制限がまだ存在しない場合.[1]
02 超高調波とは?
超高調波は、電力システムの電圧または電流波形に存在する周波数成分であり、次の範囲にあります。 2 kHzまで 150 kHzの. それらは両方の古典的高調波とは異なります (の整数倍 50/60 Hz基本波, 通常は 40 次高調波まで対応します — 2 kHzで 50 ヘルツ) 上空の高周波電磁干渉によるもの 150 kHzの, これは CISPR 標準によって対処されています.[1]
超高調波範囲は、2 つの適切に制御された領域の間に位置し、それらの間のギャップを通過します。. 電力品質規格の枠組みも存在しない (IEC 61000 シリーズ, IEEE 519) 電磁適合性フレームワークも (CISPR規格) 系統接続されたパワーエレクトロニクスの特定の排出制限でこの範囲を適切にカバーします.[1]
超高調波領域の放射タイプ
この研究では、太陽光発電インバータからの 3 つの異なる排出タイプが特定されました。, それぞれに異なる特性と伝播動作があります:[1]
- 狭帯域放射 — インバータのスイッチング周波数とその整数倍に集中. PV インバータのスイッチングの場合 20 kHzの, 狭帯域放射は次のようになります。 20 kHzの, 40 kHzの, 60 kHzの, 等. これらは決定論的であり、PWM 変調周波数に直接関連しています。
- ブロードバンド放射 — 広い周波数範囲に広がります, 通常、スイッチング過渡現象と半導体スイッチの有限の立ち上がり時間と立ち下がり時間によって引き起こされます。. 切り替えが早いほど (SiC や GaN デバイスと同様), トランジェントの高周波成分が広くなる
- 時間変化する排出量 — 太陽放射量に応じて変化する, ロード, とインバータの動作点. 低電力レベルまたはクラウド過渡時, MPPT (最大電力点の追跡) アルゴリズムはスイッチングパターンを変更します, 発光スペクトルを動的に変更する
03 ソースと相互変調問題
PWM スイッチング — 主な生成メカニズム
PV インバーターからの超高調波放射はパルス幅変調に起因します。 (PWM) PV パネルの DC 出力を系統周波数の AC 出力に変換するスイッチング プロセス. 半導体スイッチをオンまたはオフにするすべてのスイッチング イベントによって過渡電流が発生し、その周波数成分は基本スイッチング周波数をはるかに超えます。. 切り替えの移行が早くなる (dI/dt および dV/dt によって特徴付けられる), 周波数成分が高くなるほど、発光スペクトルが広くなります.[1]
PCC で超高調波放射を測定する場合, 機器は常に一次排出量の合計を測定します (テスト中のデバイスから) 二次排出と (ネットワーク上の他のデバイスから測定ポイントを流れる超高調波電流). この区別は、責任を正しく割り当てるために重要です。これが、超高調波発生源の特定が古典的高調波発生源の特定よりもはるかに複雑である理由の 1 つです。. デバイス間のインピーダンス ネットワークにより、各デバイスの一次放射が他のすべての測定点でどの程度現れるかが決まります。.[1]
相互変調 — 2 つのデバイスが相互作用するとき
現在の超高調波研究における最も重要な発見の 1 つは相互変調現象です。. スイッチング周波数が異なる 2 つのパワーエレクトロニクス デバイスが同じネットワークに接続されている場合 — たとえば、, PV インバーターのスイッチング 20 kHz および EV 充電器のスイッチング 32 kHz - 超高調波放射がネットワーク インピーダンスを通じて相互作用し、和周波数と差周波数で新しい周波数成分を生成します。 (52 kHzの, 12 kHzの, 72 kHzの, 等) どちらのデバイスからも個別に発信されなかったもの.[1]
この現象は、電気通信では相互変調歪みとしてよく知られていますが、高スイッチング周波数デバイスの密度が増加するにつれて、配電ネットワークでも観察されるようになりました。. これは、ネットワーク内の任意の点における超高調波環境が、個々のデバイスのエミッションの単純な重ね合わせではなく、一次エミッションの複雑な混合であることを意味します。, 二次排出, 接続されたデバイスの数に応じて構成が変化する相互変調積.
相互変調の問題は、複数の PV インバータと EV 充電器を備えた配電フィーダからの超高調波放射を、個々のデバイスの放射測定値を合計することによって予測できないことを意味します。. ネットワークインピーダンス, デバイスの空間分布, そしてそれらのスイッチング周波数間の関係がすべて重要です. これには、超高調波の評価に対して、古典高調波に使用される高調波加算法とは根本的に異なるアプローチが必要です。.
04 機器やネットワークへの影響
超高調波の放出は、電力システムのコンポーネントや接続された機器にさまざまな影響を与えます。, そのうちのいくつかは古典的な高調波効果に類似しており、そのうちのいくつかはより高い周波数範囲に特有のものです:[1]
- ケーブル加熱 - 表皮効果: 高周波では, 電流は導体表面に集中します (表皮効果), 有効断面積を減少させ、有効抵抗を増加させる. かなりの超高調波電流が流れるケーブルは、電源周波数負荷だけで予測されるよりも高温になります。. 電力周波数電流定格に基づく熱計算は、多量の超高調波成分が存在する場合には非保守的です
- コンデンサの経年変化: コンデンサは高周波では低インピーダンスを示します, 周波数に比例して超高調波電流を流す. 超高調波周波数での誘電損失は、電力周波数での損失を大幅に超える可能性があります。, 絶縁劣化が促進され、寿命が短くなります。. 照明器具のアルミ電解コンデンサは特に脆弱です
- LEDランプの干渉: LED ドライバーは電源電圧の高周波干渉に敏感です. 超高調波歪みは、LED 光出力に知覚可能な変動を引き起こす可能性があります。これは、IEC が対処する 8 ～ 10 Hz の電圧変動フリッカーとは異なるフリッカー メカニズムです。 61000-4-15, 標準のフリッカーメーターでは捕捉されません
- 電力線通信 (PLC) 干渉: スマートメーターシステム, SCADA通信, デマンドレスポンス信号は多くの場合、超高調波範囲の電力線搬送周波数を使用します。 (通常 9 ～ 150 kHz). PV インバータや EV 充電器からの超高調波放射は、これらの信号を圧倒する可能性があります, スマートグリッドインフラストラクチャで通信障害を引き起こす
- 制御回路の故障: 高周波放射は、電磁誘導または伝導経路を通じて制御および保護回路に結合する可能性があります。, 偽のリレー動作を引き起こす, 測定誤差, または通信障害
- 可聴ノイズ: 範囲内の超高調波周波数 20 Hz ～ 20 kHz は人間の可聴範囲内にあり、変圧器からの可聴ノイズの原因となる可能性があります。, ケーブル, およびその他の磁気コンポーネント
スマートメーターとデマンドレスポンスシステムは、現代の系統管理と負荷制御の基礎であり、超高調波放射が最も集中する周波数範囲での電力線搬送通信に依存しています。. 二酸化炭素排出量を削減するために太陽光発電インバーターとEV充電器を備えた配電フィーダーは、同時にそれらのデバイスを管理する通信インフラストラクチャを劣化させている可能性があります。. これは仮説上の懸念ではありません。太陽光発電の普及率が高い地域での PLC 通信障害は、すでにネットワーク事業者によって報告されています。.
05 測定 – 標準のギャップ
超高調波の測定には、上記のサンプリングレートが必要です 300 kHzの (ナイキスト基準による, 信号内容をキャプチャするには 150 kHzの) — 従来の高調波測定器よりも大幅に高い, 通常は 12 ～ 16 kHz でサンプリングされます, を提供するように設計されています. これは、クラス A 機器であっても、ほとんどの既存の電力品質モニターが IEC に準拠していることを意味します。 61000-4-30 — 超高調波領域を捕捉しない.[1]
現在の測定規格とその制限
- IEC 61000-4-7: 次を使用して高調波および次高調波の測定を指定します。 200 最大 Hz の周波数帯域 2 kHzの. 超高調波領域には対応していません
- IEC 61000-4-30: を使用した非連続グループ化方法を含む PQ 測定方法を指定します。 2 kHz 以上の周波数の周波数帯域 2 kHzの. これにより提供されるのは、 8% 信号範囲 — 92% 超高調波信号は捕捉されません. ザ 2 kHz 帯域のグループ化では、個々のデバイスのスイッチング周波数を識別するために不可欠な周波数分解能も失われます。. この規格は現在、特にこれらの欠陥に対処するために IEC SC 77A WG9 によって改訂中です。[1]
- CISPR規格 16: 上記で使用した電磁妨害測定規格 9 kHzの. 機器からの伝導EMIおよび放射EMIを考慮した設計, 電力システムの PQ 監視には使用できません. PQ 評価に適した RMS 測定ではなく、準尖頭値および平均検出器を使用します。
IECに完全準拠したクラスA機器を使用して実施されたPQ調査 61000-4-30 DCからの電圧と電流のパラメータを報告します。 2 高精度のkHz. その上 2 kHzの, 同じ楽器が断片的な情報を提供します, 超高調波信号エネルギーの大部分が失われる低解像度データ. 調査報告書は技術的には正しいでしょうが、超高調波環境の特徴を完全に描写することはできません。. これは機器や測定方法の欠陥ではなく、規格そのもののギャップです。, IEC はこれを埋めるために積極的に取り組んでいます.
06 研究から得られた主な発見
ピントの研究, グレイセル, Baptista は、いくつかのネットワーク シナリオの下で PV システムからの実際の超高調波信号を分析しました。, 排出量の伝播と、さまざまな太陽光発電インバータモデルと普及レベル間の相関関係を調査する. 主な発見は次のとおりです。:[1]
- 各 PV インバーター モデルには、個別の排出特性があります。 — スイッチング周波数とその高調波は、超高調波スペクトルの特徴的な狭帯域ピークとして現れます。, 発光パターンから個々のインバータモデルを識別可能. スイッチング周波数での一定の狭帯域放射 (例えば, 20 kHzの) 最も信頼できる識別子です
- ブロードバンド放射は動作条件によって変化します — 部分負荷時 (低い太陽放射照度), MPPT アルゴリズムはスイッチング パターンを変更します, それに応じて広帯域放射プロファイルも変化します. この時間によって変化する特性により、単一の動作条件下での特性評価は誤解を招きます。
- 相互変調積が測定可能 — 異なるスイッチング周波数を持つ複数の PV パワーコンディショナが同じネットワーク上に存在する場合, 和周波数と差周波数での相互変調積が検出可能, 超高調波環境は単に個々の放出の合計ではないことを確認する
- 伝播はネットワークのインピーダンスに依存します — 超高調波放射は、インピーダンス分布に従ってネットワークを介して伝播します。. 容量性負荷 (力率改善コンデンサを含む) 超高調波周波数では低いインピーダンスを示し、かなりの超高調波電流を引き込みます。, 局所的な排出レベルを増幅する可能性がある
- 現在の規制枠組みではこの調査結果に適切に対応していない — 研究では、2～150 kHz の範囲に対する特定の規制が緊急に必要であると結論付けています。, 排出制限と測定方法の両方をカバー
太陽光発電インバーターのスイッチング周波数における狭帯域放射は、最も信頼性の高いフィールド識別マーカーです。. 十分な帯域幅を備えた電力品質アナライザの場合 (300 kHz+サンプリングレート) 利用可能です, 10 ～ 100 kHz の範囲の狭帯域ピークをスキャンすると、接続されたインバーターと充電器のスイッチング周波数が明らかになります。. 相互変調積（和周波数と差周波数）は、デバイスのスイッチング周波数が変化するとシフトする追加の狭帯域ピークとして現れます。, それが一次排出物と区別される.
07 電力品質の観点
超高調波は電力品質工学の次のフロンティアを表します。この現象は、それを測定し制限するツールがまだ開発されているまさにその瞬間に重要性が増しています。. 1980 年代と 1990 年代初頭の古典的なハーモニクスとの類似点は顕著です。: 新しいクラスの非線形荷重 (それから, VFD および UPS システム; 今, 太陽光発電インバータおよびEV充電器) 既存の測定および規制の枠組みが対処するように設計されていなかった妨害を導入している, エンジニアリング コミュニティは、問題が管理不能になる前に問題の特徴を明らかにしようと競い合っています。.
ユーティリティ分配の観点から, 最も直接的な影響は、電力線搬送通信に対する脅威です。. スマートメータリング, デマンドレスポンス, 9 ～ 150 kHz の範囲の PLC 周波数に依存するグリッド制御システムは、超高調波の放射が集中する同じ周波数範囲に対して直接的に脆弱です。. PV の普及と LV 配電フィーダでの EV 充電器の密度が増加するにつれて, PLC 通信の信号対雑音比が低下し、エネルギー移行を管理することを目的としたスマート グリッド インフラストラクチャが損なわれる可能性があります。.
最大 40 次までの高調波測定を実践してきた電力品質エンジニアは、PQ 問題空間が現在は上記よりも拡大していることを認識する必要があります。 2 kHz — そしてその楽器は, 標準, この範囲の緩和ツールはまだ成熟中です. 超高調波に対処しない PQ 評価は間違っていません。これは、大量の PV 発電や EV 充電を行うサイトにとっては単に不完全です。. 問題は超高調波が重要かどうかではない, しかし、測定ツールと規制の枠組みがネットワーク上にすでに存在する物理的現実に追いつくとき. IEC SC 77A WG9 での規格開発のペースに基づく, 今後 3 ～ 5 年以内に収束する可能性が高い. 超高調波範囲に精通しているエンジニアは、それがすべての PQ 調査の必須部分になったときに有利な立場に立つことができます。.
参照
- ピント J, グラセルB, バプティスタ J. “電力網における超高調波放射の解析: 太陽光発電インバータのケーススタディ。” エレクトロニクス, フライト. 13, しない. 24, P. 4880, 2024. DOI: 10.3390/エレクトロニクス13244880. CC BY に基づいてオープンアクセス 4.0.
- IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. 電磁両立性 (EMC) - 一部 4-7: 試験および測定技術 — 高調波および次高調波の測定および計測に関する一般ガイド. IEC, ジュネーブ.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 電磁両立性 (EMC) - 一部 4-30: テストおよび測定技術 - 電力品質測定方法. IEC, ジュネーブ.
- IEC 61000-2-2:2002. 電磁両立性 (EMC) - 一部 2-2: 環境 - 公共の低電圧電源システムにおける低周波伝導妨害と信号伝達の互換性レベル. IEC, ジュネーブ.
- レンベルク SK, ボールMHJ. “将来の電力システムにおける電力品質の問題。” 電気ジャーナル, フライト. 29, しない. 10, PP. 49-61, 2016.
ピント J, グラセルB, バプティスタ J. “電力網における超高調波放射の解析: 太陽光発電インバータのケーススタディ。” エレクトロニクス, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/エレクトロニクス13244880 ・・ 元の記事はMDPIで読む→
CC BY のもとでオープンアクセスで公開 4.0. この事例は概要と解説の形で紹介されています. PQ の視点セクション (セクション 7) オリジナルの IPQDF 編集解説は Denis Ruest によるものです, 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.