Что такое интергармоники и их основные источники эмиссии. - Фильтры гармоник

Анонс: Что такое интергармоники, субгармоники в определениях отечественных и международных стандартов и de facto. Основные источники эмиссии интергармоник.

Использование сложной силовой электроники и систем связи для повышения эффективности, гибкости и надежности энергосистемы объекта увеличивает интергармонические искажения и добавляет в систему оборудование, чувствительное к этим искажениям. Знание интергармоник, их источников, эффектов, измерений, пределов и смягчения последствий поможет объектам разного назначения предотвратить негативное влияние интергармонических возмущений на энергосистему.

Что такое интер- и субгармоники.

Интергармоника введена в терминологию:

• IEEE 519-2022, как «Частотная составляющая периодической величины, которая не является целым числом, кратным частоте, на которой работает система питания (например, 50 Гц или 60 Гц)»;
• ГОСТ IEC/TR 61000-3-14— 2019, как «частота, которая не является целым числом, кратным основной частоте», а отношение частоты интергармоники к основной частоте (порядок гармоники) … не выражается целым числом».

В IEC 61000-2-1 определено, что «Между гармониками напряжения промышленной частоты и тока можно наблюдать дополнительные частоты, которые не являются целым числом основного. Они могут отображаться как дискретные частоты или как широкополосный спектр».

Т.е. (упрощенно) интергармоники — это любой сигнал частоты, которая не является целым числом, кратным основной частоте. Если f1 представляет собой основную частоту, а n — любое ненулевое целое число, то nf1— гармоника f1. Для частного случая, когда n равно нулю, nf1 также равна нулю, т.е. постоянному току. Если m — любое положительное нецелое число, то mf1 — интергармоника f1. Когда m больше нуля и меньше единицы, то mf1 называют субгармоникой f1.

Таблица. Гармоники и интергармоники.

Одной из характеристик всех периодических сигналов является то, что они могут быть представлены их фундаментальной составляющей и серией гармоник Фурье различных величин, частот и углов. По определению, интергармоники не являются периодическими на основной частоте, поэтому их можно рассматривать как меру непериодичности формы волны энергосистемы. Точно так же любая форма волны, которая является непериодической на частоте энергосистемы, будет включать интергармонические искажения.

Основные источники эмиссии интергармоник.

Некоторые основные источники интергармоник - дуговые нагрузки, асинхронные двигатели (при некоторых условиях), электронные преобразователи частоты, приводы с переменной нагрузкой, преобразователи источника напряжения и информация, передаваемая по линиям электропередач.

К дуговым нагрузкам относятся дуговые печи и сварочные аппараты, причем для большинства крупных промышленных дуговых печей переходная нагрузка и интергармоники изменяются на протяжении всего цикла плавления. Изменчивость нагрузки и результирующие интергармоники обычно больше в начале цикла расплава. В свою очередь сварочные аппараты генерируют более непрерывный частотный спектр, который включает в себя множество интергармонических частот.

Асинхронные двигатели могут создавать интергармоники при насыщении их магнитных цепей, изменении нагрузки вала и эти искажения будут увеличиваться во время запуска.

Электронные преобразователи частоты используют соединение постоянного тока для преобразования одной частоты в другую, а фильтрация на шине постоянного тока используется для разъединения напряжения и тока на каждой стороне канала, но эта фильтрация никогда не бывает идеальной, и интергармонические искажения могут проходить между двумя системами переменного тока.

Оборудование с переменной нагрузкой, как источники питания тяговых систем, которые используют IGBT или испытывают внезапные изменения нагрузки, могут создавать интергармоники, хотя обычно на фиксированных частотах.

Преобразователи напряжения (VSC - Voltage Sourced Converters) используются для различных целей, включая конвертацию постоянного тока в переменный в ветрогенераторах, статические компенсаторы (STATCOM) и приложения HVDC. Использование IGBT (Insulated gate bipolar transistors) в VSC имеет преимущества по сравнению с линейными коммутируемыми преобразователями (LCC - line commutated converters), в которых используются тиристоры. Среди этих преимуществ - возможность независимого регулирования реактивной мощности на каждом преобразователе, работа в очень слабых системных условиях и т.д. Способность IGBT отключаться в любое время обеспечивает почти мгновенное управление, которое может быть использовано для повышения стабильности системы за счет гашения колебаний.

Однако одним из следствий повышенного контроля, обеспечиваемого VSC, является эмиссия интергармоник и уровень интергармонических искажений, создаваемых устройством VSC, зависит от его типа. Более ранние типы использовали широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), которая давала гораздо более высокие интергармоники, чем более новые модульные многоуровневые (MML) конструкции. Другие типы VSC (каскадный, двухуровневый и т. д.) также генерируют интергармоники, а уровень интергармоник, создаваемых конкретным преобразователем VSC, зависит от ряда конструктивных факторов (число импульсов, уровни и т. д.), которые выбираются по причинам, обычно не связанным с эмиссией искажений.

Связь по линиям электроснабжения используется некоторыми предприятиями для передачи информации о защите системы, управления определенными нагрузками, реактивными ресурсами или обеспечения двусторонней коммуникации с «умными» счетчиками клиентов. Все эти системы используют для связи непериодические сигналы, добавленные к форме сигнала промышленной частоты. Информация обычно защищена с помощью волновых ловушек, передается с использованием частот в диапазоне 100 Гц, а сигналы управления нагрузкой или реактивным ресурсом - в диапазоне от 100 до 3000 Гц. Как информационные, так и управляющие сигналы обычно задействуют минимальное количество частот и используются для передачи простых инструкций (отключение, блокировка, включение или выключение).

Интеллектуальная связь счетчиков по линиям электропередач использовалась для разных целей с различными уровнями интенсивности передачи данных, причем (упрощенно) ток, напряжение или и то, и другое кратковременно замыкаются на землю, чтобы послать ступенчатый сигнал, который интерпретируется как двоичный бит. Несколько счетчиков могут отправлять сигналы одновременно, а эти сигналы имеют широкий диапазон интергармонических частот, хотя их амплитуда обычно уменьшается по мере увеличения их частоты.

Интергармоники, как и гармоники, добавляют дополнительные сигналы в энергосистему, могут генерироваться и передаваться между силовыми сетями разного уровня напряжения, и вызывать ряд негативных эффектов, особенно если усиливаются резонансом. Чем шире диапазон присутствующих частот, тем больше риск резонанса, а многие из последствий эмиссии интергармоник аналогичны негативам гармоник, но некоторые из них уникальны из-за непериодической природы.