Harmonics in moderne energiesystemen: definitie, oorzaken en oplossingen

Harmonischen begrijpen: een groeiende zorg in energiesystemen

Naarmate moderne energiesystemen evolueren met snelle ontwikkelingen in vermogenselektronica, is één probleem steeds kritischer geworden, maar vaak over het hoofd gezien: harmonischen. De integratie van hoogvermogen halfgeleiderapparaten zoals thyristors, MOSFET's en IGBT's heeft geleid tot een aanzienlijke toename van niet-lineaire belastingen in energienetwerken. Deze belastingen vervormen de sinusvormige aard van stroom- en spanningsgolven, wat resulteert in harmonischen — een grote uitdaging voor de stroomkwaliteit die niet langer genegeerd kan worden.

In eerdere systemen die werden gedomineerd door lineaire belastingen, was de stroomkwaliteit grotendeels de verantwoordelijkheid van de nutsmaatschappij. Maar nu de huidige energiegebruikers meer diverse en geavanceerde apparatuur gebruiken, worden indicatoren voor de stroomkwaliteit, zoals harmonischen, spanningsflikkering en onbalans, nu sterk beïnvloed door de gebruikerskant. Een duidelijk begrip van harmonischen is essentieel voor iedereen die betrokken is bij systeemontwerp, -bedrijf of probleemoplossing.

1. Wat zijn harmonischen?

Volgens de Chinese nationale norm GB/T 24337 (Stroomkwaliteit - Interharmonischen in openbare energienetwerken) worden harmonischen gedefinieerd als de componenten van een elektrisch signaal waarvan de frequenties gehele veelvouden zijn van de fundamentele frequentie van het systeem.

In China is de standaard netfrequentie 50 Hz. Harmonischen bij 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, enz., worden dus aangeduid als de 2e, 3e, 4e harmonische, enzovoort. Harmonischen kunnen op twee belangrijke manieren worden geclassificeerd:

Per volgorde: Positieve volgorde, negatieve volgorde en nulvolgorde.

Per frequentieveelvoud:

• Oneven harmonischen (3e, 5e, 7e, enz.)
• Even harmonischen (2e, 4e, 6e, enz.)

Oneven harmonischen komen vaker voor in de praktijk en kunnen worden bewaakt via back-end systeemgegevens of tools voor golfvormanalyse.

2. Wat veroorzaakt harmonischen?

Harmonischen ontstaan meestal wanneer sinusvormige spanningen worden toegepast op niet-lineaire belastingen. Veelvoorkomende bronnen zijn onder meer:

• Vermogenselektronica: Frequentieomvormers (VFD's), gelijkrichters en omvormers, die dominante 3e, 5e, 7e en hogere orde harmonischen genereren.
• Industriële machines: Lichtbogenovens, fluorescentieverlichting en inductieverwarmers.

Deze apparaten verstoren de lineaire relatie tussen spanning en stroom, waardoor golfvormvervorming ontstaat en harmonische stromen in het systeem worden geïnjecteerd. Na verloop van tijd kan dit leiden tot oververhitting, isolatiefalen, defecten aan apparatuur, valse uitschakelingen en zelfs wijdverspreide systeeminstabiliteit.

De afgelopen jaren heeft de groei van hernieuwbare energiesystemen (bijv. PV en wind) meer omvormers en converters in het net gebracht, waardoor de harmonische voetafdruk is toegenomen en hogere eisen worden gesteld aan de moderne besturing van energiesystemen.

3. Hoe harmonischen te verminderen: een strategie met meerdere pijlers

Effectieve harmonische reductie vereist een combinatie van proactief ontwerp, strategische apparatuurselectie en corrigerende technologieën. Belangrijke benaderingen zijn onder meer:

(1) Bronzijde controle: De meest kosteneffectieve en grondige methode. Door het belastingontwerp te optimaliseren en apparaten met lage harmonischen te selecteren, kan de generatie van harmonischen bij de bron worden geminimaliseerd.

(2) Apparatuurbescherming: Voor gevoelige apparaten, pas isolatie of elektromagnetische interferentie (EMI) mitigatiestrategieën toe om de impact van harmonischen te verminderen.

(3) Filteroplossingen:

• Passieve filters: Kosteneffectief en geschikt voor het filteren van specifieke harmonischen met een vaste frequentie.
• Actieve filters: Veelzijdiger en effectiever in dynamische omgevingen, maar tegen hogere kosten.

Opmerking: De implementatie van filters moet zorgvuldig worden geëvalueerd om potentiële resonantie met het net te voorkomen.

Conclusie

Harmonische vervorming is een steeds urgenter probleem in moderne energiesystemen. Naarmate energie-infrastructuren complexer worden, moet het identificeren, analyseren en verminderen van harmonischen een standaardpraktijk worden voor ingenieurs en energieprofessionals. Met de juiste kennis en tools kan de stroomkwaliteit worden gewaarborgd, wat zowel betrouwbaarheid als efficiëntie in de volgende generatie elektrische netwerken garandeert.

Neem contact met ons op voor een gratis evaluatie en een oplossing op maat:

E-mail: overseas@fengguang.com

Adres: Jincheng Road, Economic Development Zone, Wenshang County, Shandong Province, China.