Nowe standardy pomiarowe: Wyższe harmoniczne w sieci

Sytuacja w sieci niskiego napięcia znacznie się zmieniła w ciągu ostatnich kilku lat. Wynika to z pojawienia się nowych urządzeń – oświetlenia, elektroniki z zasilaczami impulsowymi – oraz ze zmian w miejscach zasilania/generatorów.

Zasilacze – wielu małych graczy

W przeszłości stosowano głównie duże generatory (maszyny wirujące). Ich konstrukcja prowadziła do bezpośredniego generowania krzywej sinusoidalnej. Ich zniekształcenia wynikały z niedoskonałości technicznych (elektrycznych i mechanicznych) i były bardzo małe.

Obecnie w terenie znajduje się duża liczba małych, nieobrotowych generatorów – są to falowniki/przetwornice impulsowe. W celu wygenerowania krzywych pseudo sinusoidalnych stosuje się modulację szerokości impulsu (PWM) z filtrem dolnoprzepustowym. Częstotliwość modulacji sięga kilku kHz. Zasadniczo PWM generuje wiele wyższych harmonicznych, które należy odfiltrować z sygnału końcowego.

Filtracja tych harmonicznych wiąże się jednak z wyższymi kosztami finansowymi i dlatego w większości przypadków jest tolerowana. Im wyższa generowana moc, tym bardziej skomplikowana i kosztowna filtracja (cewka i kondensator). W konsekwencji prowadzi to do pogorszenia jakości zasilania.

Urządzenia – brak powodów do zadowolenia

W przeszłości dominowały urządzenia gospodarstwa domowego działające na zasadzie rezystancyjnej (żarówki, ogrzewanie, bojlery wodne…). Składały się one z prostych regulatorów, a ich elektronika była zasilana z liniowych zasilaczy. Maszyny wirujące były sterowane przez klasyczne regulatory liniowe. Harmoniczne pojawiały się bardzo rzadko, a ich wielkość była znikoma. Urządzenia były również dobrze skompensowane pod względem współczynnika mocy.

Dlatego nie było potrzeby, aby odbiorcy końcowi – gospodarstwa domowe – mierzyli energię bierną lub obserwowali jakość dostarczanej energii. Jakość ta była monitorowana tylko przez dużych odbiorców, a także na transformatorach dystrybucyjnych, gdzie miało to sens.

Dziś sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Wśród źródeł światła dominują świetlówki kompaktowe i żarówki ledowe. Są one zasilane ze zmieniaczy impulsowych, ze słabą kompensacją współczynnika mocy i bez kompensacji zakłóceń.

Czasami kompensacja jest całkowicie pomijana w celu utrzymania niskich cen. Kondensatory są używane do ograniczania impedancji żarówek ledowych. W efekcie następuje spadek poboru mocy czynnej o kilkadziesiąt procent przy jednoczesnym wzroście wpływu mocy biernej i mocy o wyższej częstotliwości. Oszczędzamy na mocy czynnej, podczas gdy współczynnik mocy ulega znacznemu pogorszeniu.

W dzisiejszych czasach prawie wszystkie urządzenia wykorzystują zasilacze impulsowe lub inne zsynchronizowane zmieniacze sterowane / przełączane przez przejście przez zero. Źródła te mają stosunkowo wysoką sprawność i niewielkie rozmiary, ale jeśli ich używamy, pojawia się duża ilość wyższych harmonicznych prądu (i wtórnie do tego, napięcia).

	Zużycie (moc czynna)	Moc pozorna	Współczynnik mocy
Klasyczna żarówka	60W	60VA	1
Kompaktowa lampa fluorescencyjna	12W	30VA	0,4
Dioda LED	5W	10VA	0,5

Jak mierniki E (nie) mierzą wyższe harmoniczne?

E-metry (liczniki energii elektrycznej) powinny mierzyć całą dostarczoną/zużytą energię. Oznacza to zarówno energię podstawowych harmonicznych, jak i wszystkie harmoniczne pojawiające się w sieci. Dzisiejsze elektroniczne liczniki energii mogą mierzyć z dużą dokładnością bardzo małe ilości prądu (prąd spoczynkowy).

Z drugiej strony nie mierzą one energii zawierającej wyższe harmoniczne w sieci. Na tym etapie legalne przyrządy pomiarowe znacznie odbiegają od rzeczywistej sytuacji w sieci.

Najważniejszym ograniczeniem jest częstotliwość próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (adc). Przetwornik ten musi być wyposażony (zgodnie z teorią próbkowania) w filtr dolnoprzepustowy – filtr antyaliasingowy – zapewniający, że wyższe harmoniczne nie zbliżą się do przetwornika.

Obecnie częstotliwość próbkowania zwykle osiąga 1 kHz – teoretycznie możemy więc mierzyć harmoniczne o częstotliwości do 500 Hz (10. harmoniczna). Częstotliwości powyżej 1 kHz (częstotliwość dla wszystkich falowników) nie są w ogóle mierzone.

Zależność częstotliwości przekładników prądowych ma również (mniejszy) wpływ na wyniki pomiarów energii wyższych harmonicznych. Ta zależność częstotliwości jest źle kompensowana w dziedzinie czasu, podczas gdy może być kompensowana w dziedzinie częstotliwości. Co więcej, w przypadku cewek dwurdzeniowych (z odpornością na prąd stały) kompensacja jest niemożliwa.

Mierniki elektryczne z zasilaniem kondensatorowym również wpływają na pomiar wyższych harmonicznych. Mierniki te nagrzewają się, gdy obecne są wyższe harmoniczne. Zasilanie miernika E jest przeciążone przez wyższe harmoniczne, co może spowodować jego uszkodzenie.

Jak możemy sobie z tym poradzić?

Mamy kilka możliwości w odniesieniu do tego, jakie podejście wybierzemy w celu rozwiązania problemu braku pomiaru wyższych harmonicznych:

• Możemy pozostawić ten problem nierozwiązany i zachowywać się tak, jakby to nie był problem. Może w nadziei, że później będzie lepiej?
• Możemy spróbować lepszej filtracji w zasilaczach. Zmusić producentów inwerterów do dodawania filtrów wysokiej jakości, co oznacza zmiany w odpowiednich normach dotyczących jakości zasilania i EMC.
• Możemy spróbować lepszej filtracji urządzeń. Sytuacja jest taka sama jak powyżej i dotyczy wdrożenia innego standardu.
• Zaczęto mierzyć wpływ zasilania i obciążenia, a także nakładać kary, jeśli współczynnik mocy nie jest zachowany. Jedną z możliwości jest rzeczywisty pomiar całej energii i współczynnika mocy (PF). Jeśli PF jest poza limitami, klienci będą płacić więcej.

W każdym razie konieczne jest mierzenie mocy w szerszym spektrum częstotliwości niż jest to obecnie standardem (do 10 kHz) oraz monitorowanie jakości zasilania w większej liczbie punktów w sieci.

Wnioski

Obecnie, gdy rzeczywiste zużycie energii przez urządzenia spada, podczas gdy moc bierna rośnie i musimy dodawać energię przy wyższych częstotliwościach, obecne certyfikowane urządzenia pomiarowe są przestarzałe. Limity dodatkowych błędów i sygnałów testowych/krzywych muszą zostać zmienione.

Rzeczywiste normy dopuszczają dodatkowe błędy do 6% dla pomiaru harmonicznych (niższych harmonicznych). Nie ma normy dla miernika elektronicznego do pomiaru wyższych harmonicznych.

Te normy dotyczące liczników elektronicznych i jakości zasilania NIE odzwierciedlają jednak faktu, że dostawy energii i urządzenia uległy zmianie. Najwyższy czas zastąpić te standardy nowymi.

Chcesz zobaczyć nasze rozwiązania Smart Grid?