Супрахармоницс ПВ Инвертерс 2–150 кХз Емергинг ПК Иссуе ИЕЦ 61000

Супрахармоничне емисије из фотонапонских претварача — нови изазов квалитета електричне енергије

Извор: Пинто, Грацел & Баптиста — Универзитет у Трас-ос-Монтес & бечка техничка школа (2024) · ИПКДФ серија студија случаја · Супрахармоника · Коментар: Денис Руест, мр. (Примењено), П.Енг. (рет.)

Случај на први поглед

Феномен	Супрахармониц (СХ) емисије у опсегу 2–150 кХз од фотонапонских претварача повезаних на мрежу
Извор	ПВМ пребацивање у модерним високофреквентним ПВ инверторима који користе СиЦ и ГаН полупроводничке прекидаче
Уочене врсте емисије	Ускопојасни (на фреквенцији пребацивања и вишекратницима) · Широкопојасни · Временски променљив
Кључни парадокс	Нови полупроводници широког појаса смањују класичне хармонике (<2 кХз) али повећавају супрахармонике (>2 кХз)
Регулаторни статус	Тренутно не постоје специфичне границе емисије за опсег од 2–150 кХз — јаз у стандардима
Стандард за мерење	ИЕЦ 61000-4-7 и ИЕЦ 61000-4-30 — оба неадекватна за СХ карактеризацију; под ревизијом
Интермодулациони ризик	ПВ инвертер + Фреквенције пребацивања ЕВ пуњача су у интеракцији да би створиле нове компоненте фреквенције које нису присутне ни у једном уређају
Познати ефекти	Грејање кабла · Интерференција ЛЕД лампе · Старење кондензатора · Квар у ПЛЦ комуникацији · Неисправност контролног кола

01 Контекст — Нова граница квалитета електричне енергије

Инжењери квалитета електричне енергије провели су деценије карактеришући и ублажавајући хармонике у опсегу до 2 кХз — пети, седми, једанаести, тринаестих хармонских редова који су потпис шестоимпулсних исправљача, пећима, и засићени трансформатори. Методе мерења су добро успостављене, стандарди су свеобухватни, а технологија ублажавања је зрела. Изнад 2 кХз, међутим, пејзаж се из темеља мења.

Супрахармоника — електрични поремећаји у 2 кХз до 150 кХз опсег — нису нова појава, али они брзо расту. Пролиферација енергетских електронских уређаја повезаних на мрежу: фотонапонски претварачи, ЕВ пуњачи, системи за складиштење батерија, ЛЕД драјвери, и погони са променљивом брзином који користе модерне полупроводничке прекидаче широког појаса, испуњава супрахармонични фреквентни опсег емисијама које постојећи оквир за мерење квалитета електричне енергије није дизајниран да обухвати и да нема тренутних регулаторних стандардних ограничења.[1]

Ова студија случаја представља налазе Пинтоовог истраживања, Грацел, и Баптиста (2024) на Универзитету Трас-ос-Монтес (Португалија) и Тецхникум Виенна (Аустрија), анализирање супрахармоничних емисија из више ПВ претварача у електричној мрежи под различитим сценаријима продора. Студија пружа један од најјаснијих објављених извештаја о карактеристикама емисије, механизми размножавања, и потенцијал интерференције супрахармоника генерисаних ПВ на ниском нивоу- и средњенапонске мреже.

Парадокс напретка

Енергетска електроника претходне генерације користила је диоде и тиристоре — пасивне комутационе уређаје ограничене на комутацију линијске фреквенције. Они су произвели значајну хармонијску дисторзију у опсегу 0–2 кХз. Модерни претварачи користе силицијум карбид (СиЦ) и галијум нитрида (ГаН) прекидачи који раде на преклопним фреквенцијама од 20–100 кХз или више. Ови уређаји драматично смањују нискофреквентно хармонијско изобличење — али високе фреквенције пребацивања померају спектар емисије нагоре у супрахармонични опсег, где је мерење теже и регулаторне границе још не постоје.[1]

02 Шта су супрахармоници?

Супрахармоници су фреквенцијске компоненте присутне у таласном облику напона или струје електроенергетског система у опсегу од 2 кХз до 150 кХз. Они се разликују од оба класична хармоника (целобројни вишекратници од 50/60 Хз фундаментални, обично адресиран до 40. хармоника - 2 кХз ат 50 Хз) и од радио-фреквентних електромагнетних сметњи изнад 150 кХз, који је обрађен ЦИСПР стандардима.[1]

Смоква. 1 — Три фреквентне зоне у анализи поремећаја електроенергетског система. Класични хармоници (0–2 кХз) и РФ/ЕМЦ (>150 кХз) оба имају дефинисане границе емисије. Супрахармонијски опсег (2–150 кХз) нема посебних регулаторних ограничења — активни регулаторни јаз.

Супрахармонични опсег се налази између два добро регулисана домена - и пада кроз јаз између њих. Ни оквир стандарда квалитета електричне енергије (ИЕЦ 61000 серије, ИЕЕЕ 519) нити оквир за електромагнетну компатибилност (ЦИСПР) адекватно покрива овај опсег са специфичним ограничењима емисије за енергетску електронику повезану на мрежу.[1]

Врсте емисије у супрахармоничном опсегу

Студија је идентификовала три различита типа емисије из ПВ инвертера, сваки са различитим карактеристикама и понашањем размножавања:[1]

Ускопојасне емисије — концентрисано на фреквенцију укључивања претварача и његове целобројне вишекратнике. За ПВ инвертер који се укључује на 20 кХз, ускопојасне емисије се појављују на 20 кХз, 40 кХз, 60 кХз, итд. Они су детерминистички и директно повезани са фреквенцијом ПВМ модулације
Широкопојасне емисије — распрострањена у широком фреквентном опсегу, типично узроковано прелазним процесима и коначним временима успона и пада полупроводничких прекидача. Што је пребацивање брже (као код СиЦ и ГаН уређаја), што је шири високофреквентни садржај транзијента
Емисије које варирају у времену — мења се сунчевим зрачењем, оптерећење, и радну тачку претварача. При ниским нивоима снаге или током прелазних стања облака, тхе МППТ (праћење тачке максималне снаге) алгоритам мења образац пребацивања, динамички мењајући емисиони спектар

03 Извори и проблем интермодулације

ПВМ пребацивање — примарни механизам генерисања

Супрахармоничне емисије из ПВ инвертора потичу од модулације ширине импулса (ПВМ) процес пребацивања који претвара ДЦ излаз ПВ панела у излаз наизменичне струје фреквенције мреже. Сваки догађај пребацивања — укључивање или искључивање полупроводничког прекидача — ствара тренутни прелазни процес чији се садржај фреквенције протеже далеко изнад основне фреквенције пребацивања. Што је бржи прелаз пребацивања (карактерише дИ/дт и дВ/дт), што је већи садржај фреквенције и шири спектар емисије.[1]

Примари вс. Секундарне емисије

Приликом мерења супрахармоничних емисија на ПЦЦ, инструмент увек мери збир примарних емисија (са уређаја који се тестира) и секундарне емисије (супрахармоничне струје из других уређаја на мрежи које теку кроз мерну тачку). 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 кХз — њихове супрахармоничне емисије интерагују кроз импеданцију мреже да би произвеле нове компоненте фреквенције на збирним и разликама фреквенција (52 кХз, 12 кХз, 72 кХз, итд) које није емитовао ниједан уређај појединачно.[1]

Овај феномен – добро познат у телекомуникацијама као интермодулациона дисторзија – сада се примећује у мрежама за дистрибуцију електричне енергије како се повећава густина уређаја са високом фреквенцијом.. То значи да супрахармонично окружење у било којој тачки мреже није само суперпозиција емисија појединачних уређаја – то је сложена мешавина примарних емисија, секундарне емисије, и интермодулациони производи чији се састав мења са популацијом повезаних уређаја.

A ф_ПВ 20 кХз ф_ЕВ 32 кХз ф_ЕВ−ф_ПВ 12 кХз ф_ПВ+ф_ЕВ 52 кХз 2·ф_ПВ 40 кХз 2·f_EV 64 кХз PV inverter primary emissions (ф_св = 20 кХз) EV charger primary emissions (ф_св = 32 кХз) Intermodulation products — new frequencies

Смоква. 2 — Intermodulation between a PV inverter switching at 20 kHz and an EV charger switching at 32 kHz creates new frequency components at 12 кХз (difference) и 52 кХз (сум) — components that neither device emits alone. These new frequencies can interfere with PLC communications and other equipment operating in the supraharmonic range.

⚠ Импликације за планирање комуналних услуга

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. Ово захтева фундаментално другачији приступ супрахармоничној процени од метода хармонијског сумирања које се користе за класичне хармонике.

04 Ефекти на опрему и мреже

Супрахармоничне емисије изазивају низ ефеката на компоненте електроенергетског система и прикључену опрему, од којих су неки аналогни класичним хармонијским ефектима, а неки специфични за виши фреквентни опсег:[1]

Грејање каблова — ефекат коже: На високим фреквенцијама, струја се концентрише на површини проводника (ефекат коже), смањење ефективног попречног пресека и повећање ефективног отпора. Кабл који носи значајну супрахармоничну струју ради топлије него што би само његово оптерећење фреквенцијом могло предвидети. Термички прорачуни засновани на јачини фреквенције струје су неконзервативни у присуству значајног супрахармоничког садржаја
Старење кондензатора: Кондензатори имају ниску импеданцију на високим фреквенцијама, цртајући супрахармоничне струје сразмерно фреквенцији. Диелектрични губици на супрахармоничким фреквенцијама могу значајно премашити губитке на фреквенцији снаге, убрзање деградације изолације и смањење радног века. Алуминијумски електролитски кондензатори у опреми за осветљење су посебно рањиви
Интерференција ЛЕД лампе: ЛЕД драјвери су осетљиви на високофреквентне сметње на напону напајања. Супрахармонично изобличење може да изазове приметне варијације у излазу ЛЕД светла — механизам треперења који се разликује од треперења флуктуације напона од 8–10 Хз на који адресира ИЕЦ 61000-4-15, и није ухваћен стандардним фликерметром
Комуникација на електричним линијама (ПЛЦ) сметње: Паметни мерни системи, СЦАДА комуникације, а сигнали одзива на потражњу често користе фреквенције носиоца далековода у супрахармоничном опсегу (обично 9–150 кХз). Супрахармоничне емисије из фотонапонских инвертера и ЕВ пуњача могу надјачати ове сигнале, изазивање комуникационих кварова у инфраструктури паметне мреже
Неисправност контролног кола: Емисије високе фреквенције могу се спојити у управљачка и заштитна кола путем електромагнетне индукције или проводних путева, узрокујући лажан рад релеја, грешке мерења, или грешке у комуникацији
Звучна бука: Супрахармоничне фреквенције у опсегу 20 Хз–20 кХз су у људском слушном опсегу и могу изазвати звучни шум трансформатора, каблови, и друге магнетне компоненте

Проблем колизије ПЛЦ-а

Паметно мерење и системи одговора на потражњу — који су основа за модерно управљање мрежом и контролу оптерећења — зависе од комуникација носиоца далековода у тачно фреквентном опсегу где су супрахармоничне емисије највише концентрисане. Дистрибутивни фидер који је опремљен ПВ инвертерима и ЕВ пуњачима за смањење емисије угљеника може истовремено да деградира комуникациону инфраструктуру која управља тим уређајима. Ово није хипотетичка брига — мрежни оператери већ пријављују кварове у ПЛЦ комуникацији у областима са високом пенетрацијом ПВ-а.

05 Мерење — јаз у стандардима

Мерење супрахармоника захтева горе наведене стопе узорковања 300 кХз (по Најквистовом критеријуму, за снимање садржаја сигнала до 150 кХз) — знатно већи од класичних хармонских мерних инструмената, који типично узоркују на 12–16 кХз, дизајнирани су да обезбеде. То значи да већина постојећих монитора квалитета електричне енергије — чак и инструменти класе А усклађени са ИЕЦ 61000-4-30 — не хватајте супрахармонични опсег.[1]

Садашњи стандарди мерења и њихова ограничења

ИЕЦ 61000-4-7: Одређује хармонијско и интерхармонско мерење коришћењем 200 Хз фреквенцијски опсези до 2 кХз. Не бави се супрахармонијским опсегом
ИЕЦ 61000-4-30: Одређује методе мерења ПК укључујући метод неконтинуалног груписања 2 кХз фреквенцијски опсези за фреквенције изнад 2 кХз. Ово обезбеђује само 8% покривеност сигналом — 92% супрахармоничног сигнала није ухваћен. The 2 Груписање опсега кХз такође губи резолуцију фреквенције која је неопходна за идентификацију фреквенција комутације појединачних уређаја. Овај стандард је тренутно у ревизији од стране ИЕЦ СЦ 77А ВГ9 посебно да би се решили ови недостаци[1]
ЦИСПР 16: Горе коришћен стандард за мерење електромагнетних сметњи 9 кХз. Дизајниран за дириговане и зрачене ЕМИ из опреме, није за надзор ПК система напајања. Користи квази-вршне и просечне детекторе уместо РМС мерења прикладна за ПК процену

A ф_св 2·ф_св 3·ф_св Врхови на ф_св и вишеструки Стабилан — идентификује модел претварача БРОАДБАНД 0 ф → A Распрострањено у широком фреквентном опсегу Од брзих прелазних стања (дВ/дт) ВРЕМЕНСКИ ВРЕМЕНСКИ 0 ф → A Пуно оптерећење Делимично оптерећење Спектар се помера са сунчевим зрачењем и МППТ радна тачка Све три врсте емисије истовремено посматране из ПВ инвертера — Пинто, Грацел & Баптиста (2024), ЦЦ БИ 4.0

Смоква. 3 — Три супрахармоничне емисије идентификоване у мерењима поља ПВ инвертера. Ускопојасне емисије на фреквенцији пребацивања су најпоузданији идентификациони маркер претварача. Емисије широкопојасног приступа од комутационих прелазних појава шире се по спектру. Временски променљиве емисије се померају са МППТ радном тачком, чинећи карактеризацију једног услова непоузданом.

Шта ово значи у пракси

ПК истраживање спроведено са инструментом класе А који је у потпуности усклађен са ИЕЦ 61000-4-30 ће извести параметре напона и струје од једносмерне до 2 кХз са високом прецизношћу. Изнад 2 кХз, исти инструмент пружа фрагментарно, подаци ниске резолуције који пропуштају већину енергије супрахармонског сигнала. Извештај анкете ће бити технички исправан — и потпуно неће окарактерисати супрахармонично окружење. Ово није недостатак инструмента или мерне праксе — то је недостатак у самом стандарду, на чијем попуњавању ИЕЦ активно ради.

06 Кључни налази из студије

Пинтоова студија, Грацел, и Баптиста су анализирали стварне супрахармоничне сигнале из фотонапонских система под неколико мрежних сценарија, испитивање ширења емисија и корелације између различитих модела ПВ инвертера и нивоа пенетрације. Кључни налази су били:[1]

Сваки модел ПВ инвертера има посебан емисиони потпис — фреквенција пребацивања и њени хармоници се појављују као карактеристични ускопојасни врхови у супрахармоничном спектру, омогућавајући идентификацију појединачних модела претварача из њиховог узорка емисије. Константна ускопојасна емисија на фреквенцији пребацивања (на пример, 20 кХз) је најпоузданији идентификатор
Широкопојасне емисије варирају у зависности од услова рада — при делимичном оптерећењу (ниско сунчево зрачење), МППТ алгоритам мења образац пребацивања, и у складу са тим се мења широкопојасни емисиони профил. Овај временски променљив карактер чини карактеризацију под једним условима рада погрешном
Интермодулациони производи су мерљиви — када је на истој мрежи присутно више фотонапонских претварача са различитим уклопним фреквенцијама, производи интермодулације на збирним и разликама фреквенција се могу детектовати, потврђујући да супрахармонично окружење није само збир појединачних емисија
Ширење зависи од импедансе мреже — супрахармоничне емисије се шире кроз мрежу према расподели импедансе. Капацитивна оптерећења (укључујући кондензаторе за корекцију фактора снаге) представљају ниску импеданцију на супрахармоничким фреквенцијама и повлаче значајне супрахармонијске струје, потенцијално повећање нивоа локалних емисија
Ниједан тренутни регулаторни оквир се на адекватан начин не бави овим налазима — студија закључује да су хитно потребни посебни прописи за опсег 2–150 кХз, покривајући и границе емисије и методологију мерења

✔ Практична метода идентификације

Ускопојасна емисија на фреквенцији укључивања ПВ инвертора је најпоузданији идентификациони маркер поља. Ако анализатор квалитета енергије са довољним пропусним опсегом (300 кХз+ брзина узорковања) је доступан, скенирање ускопојасних пикова у опсегу од 10–100 кХз откриће фреквенције пребацивања повезаних претварача и пуњача. Интермодулациони производи - на фреквенцијама збира и разлике - појављују се као додатни ускопојасни врхови који се померају када се промени фреквенција пребацивања било ког уређаја, што их разликује од примарних емисија.

07 Перспектива квалитета струје

Супрахармоника представља следећу границу инжењеринга квалитета електричне енергије — феномен који постаје све важнији управо у тренутку када се алати за мерење и ограничавање још увек развијају. Паралела са класичним хармоницима 1980-их и раних 1990-их је упадљива: нова класа нелинеарних оптерећења (затим, ВФД и УПС системи; сада, ПВ инвертори и ЕВ пуњачи) уноси сметње за које постојећи мерни и регулаторни оквир није дизајниран, а инжењерска заједница се утркује да окарактерише проблем пре него што постане неуправљив.

Из перспективе дистрибуције комуналних услуга, најнепосреднији ефекат је претња комуникацијама носилаца далековода. Паметно мерење, одговор на захтев, и системи за контролу мреже који зависе од фреквенција ПЛЦ-а у опсегу 9-150 кХз су директно рањиви на исти опсег фреквенција где су концентрисане супрахармоничне емисије. Како се ПВ продор и густина ЕВ пуњача повећавају на НН дистрибутивним доводима, однос сигнал-шум за ПЛЦ комуникације ће се деградирати — потенцијално поткопавајући инфраструктуру паметне мреже која је намењена за управљање енергетском транзицијом.

ИПКДФ коментар — Генерацијска промена у пракси ПК

Инжењери квалитета електричне енергије који су изградили своју праксу на хармонијским мерењима до 40. реда морају бити свесни да се проблемски простор ПК сада шири изнад 2 кХз — и да инструменти, стандарди, а алати за ублажавање утицаја за овај опсег још увек сазревају. Процена ПК која се не бави супрахармоником није погрешна — једноставно је непотпуна за било коју локацију са значајном ПВ генерацијом или ЕВ пуњењем. Питање није да ли су супрахармоници битни, али када ће мерни алати и регулаторни оквир сустићи физичку реалност која је већ присутна на мрежи. Засновано на темпу развоја стандарда у ИЕЦ СЦ 77А ВГ9, та конвергенција је вероватно у наредних 3-5 година. Инжењери који сада буду упознати са супрахармоничким опсегом биће добро позиционирани када он постане обавезан део сваког ПК истраживања.

Референце

Пинто Ј, Грасел Б, Баптиста Ј. “Анализа супрахармоничке емисије у електроенергетским мрежама: Студија случаја фотонапонских претварача.” Електроника, лет. 13, не. 24, П. 4880, 2024. ДОИ: 10.3390/елецтроницс13244880. Отворен приступ под ЦЦ БИ 4.0.
ИЕЦ 61000-4-7:2009+АМД1:2021. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Парт 4-7: Технике испитивања и мерења — Општи водич за мерења хармоника и интерхармоника и инструментацију. ИЕЦ, Женева.
ИЕЦ 61000-4-30:2015+АМД1:2021. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Парт 4-30: Технике испитивања и мерења — Методе мерења квалитета електричне енергије. ИЕЦ, Женева.
ИЕЦ 61000-2-2:2002. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Парт 2-2: Животна средина — Нивои компатибилности за нискофреквентне сметње и сигнализацију у јавним нисконапонским системима напајања. ИЕЦ, Женева.
Роннберг СК, Лопта МХЈ. “Питања квалитета електричне енергије у електроенергетском систему будућности.” Тхе Елецтрицити Јоурнал, лет. 29, не. 10, ПП. 49–61, 2016.

Извор & Приписивање

Пинто Ј, Грасел Б, Баптиста Ј. “Анализа супрахармоничке емисије у електроенергетским мрежама: Студија случаја фотонапонских претварача.” Електроника, 13(24), 4880, 2024.
ДОИ: 10.3390/елецтроницс13244880 · Прочитајте оригинални чланак на МДПИ →

Објављено отвореног приступа под ЦЦ БИ 4.0. Ова студија случаја је представљена у облику сажетка и коментара. Одељак ПК Перспецтиве (Одељак 7) је оригинални ИПКДФ уреднички коментар Дениса Руеста, мр. (Примењено), П.Енг. (рет.). ИПКДФ не полаже право на ауторство оригиналног истраживања.