Новые стандарты измерений: Высшие гармоники в электросети

За последние несколько лет ситуация в низковольтной сети значительно изменилась. Это связано с появлением новых приборов — светильников, электроники с импульсными источниками питания — и с изменениями на объектах питания/генераторах.

Источники питания — множество мелких игроков

В прошлом преимущественно использовались большие генераторы (вращающиеся машины). Их конструкция позволяла напрямую генерировать синусоидальную кривую. Их искажения возникали в результате технического (электрического и механического) несовершенства и были очень малы.

Сегодня в промышленности используется большое количество небольших невращающихся генераторов — это импульсные инверторы/преобразователи. Для генерации псевдосинусоидальных кривых используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с фильтром нижних частот. Частота модуляции достигает нескольких кГц. В принципе, ШИМ генерирует множество высших гармоник, которые необходимо отфильтровать из конечного сигнала.

Однако фильтрация этих гармоник влечет за собой большие финансовые затраты, поэтому в большинстве случаев с ней приходится мириться. Чем выше генерируемая мощность, тем сложнее и дороже используемая фильтрация (катушка и конденсатор). Впоследствии это приводит к ухудшению качества электропитания.

Приборы — нет причин для недовольства

В прошлом преобладали бытовые приборы, работающие на основе сопротивления (лампочки, обогреватели, водонагреватели…). Они состояли из простых регуляторов, их электроника питалась от линейных источников. Вращающиеся машины управлялись с помощью классических линейных регуляторов. Гармоники возникали крайне редко и были незначительны по величине. Приборы также были хорошо скомпенсированы по коэффициенту мощности.

Поэтому конечным потребителям — домохозяйствам — не было необходимости измерять реактивную энергию или следить за качеством поставляемой энергии. За этим качеством следили только крупные потребители, а также распределительные трансформаторы, где это было целесообразно.

Сегодня ситуация совершенно иная. Среди источников света преобладают компактные люминесцентные лампы и светодиодные лампы. Они питаются от импульсных чейнджеров, причем с плохой компенсацией коэффициента мощности и без компенсации помех.

Иногда компенсация полностью отсутствует, чтобы сохранить низкие цены. Конденсаторы используются для ограничения импеданса светодиодных ламп. В результате происходит снижение потребления активной мощности на десятки процентов при увеличении влияния реактивной, причем более высокочастотной, мощности. Мы экономим на активной мощности, но при этом значительно ухудшается коэффициент мощности.

В настоящее время почти во всех приборах используются импульсные источники питания или другие синхронизированные чейнджеры, управляемые/переключаемые по переходу через ноль. Эти источники имеют относительно высокий КПД и небольшие размеры, но при их использовании появляется большое количество высших гармоник тока (и вторичных по отношению к нему — напряжения).

	Потребление (активная мощность)	Кажущаяся мощность	Коэффициент мощности
Классическая лампа	60W	60VA	1
Компактная флуоресцентная лампа	12W	30VA	0,4
светодиодная лампа	5W	10VA	0,5

Как E-метры (не) измеряют высшие гармоники

E-метры (счетчики электрической энергии) должны измерять всю поставляемую/потребляемую энергию. Это означает как энергию основных гармоник, так и все гармоники, которые появляются в сети. Современные электронные э-метры могут с высокой точностью измерять очень малые величины тока (stand by current).

С другой стороны, они не измеряют энергию, содержащую высшие гармоники в сети. На данном этапе законодательные средства измерения значительно отстают от реальной ситуации в сети.

Наиболее важным ограничением является частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя (adc). Этот преобразователь должен сопровождаться (в соответствии с теоремой о выборке) фильтром нижних частот — сглаживающим фильтром, гарантирующим, что высшие гармоники не попадут в преобразователь.

Сегодня частота дискретизации обычно достигает 1 кГц — таким образом, теоретически мы можем измерять гармоники с частотой до 500 Гц (10-я гармоника). Частоты выше 1 кГц (частота для всех преобразователей мощности) не измеряются вообще.

Частотная зависимость трансформаторов тока также оказывает (меньшее) влияние на результаты измерения энергии высших гармоник. Эта частотная зависимость плохо компенсируется во временной области, в то время как она может быть компенсирована в частотной области. Более того, в двухжильных катушках (с защитой от постоянного тока) компенсация невозможна.

Е-метры с конденсаторным питанием также влияют на измерение высших гармоник. При наличии высших гармоник такие элетроизмерительные приборы нагреваются и греются. Питание электронного измерителя перегружается из-за высших гармоник, и в результате он может быть поврежден.

Как с этим справиться?

У нас есть несколько вариантов того, какой подход мы выберем для решения проблемы отсутствия измерений высших гармоник:

• Мы можем оставить эту проблему нерешенной и вести себя так, будто это не проблема. Может быть, в надежде, что позже ситуация изменится к лучшему?
• Мы можем попробовать улучшить фильтрацию в источниках питания. Заставить производителей инверторов добавлять качественные фильтры, что означает изменения в соответствующих стандартах, касающихся качества электропитания и ЭМС.
• Мы можем попробовать улучшить фильтрацию приборов. Ситуация та же, что и выше, и касается внедрения другого стандарта.
• Начав измерять влияние на мощность и нагрузку, они начнут выписывать штрафы при несоблюдении коэффициента мощности. Одна из возможностей — действительно измерять всю энергию и измерять коэффициент мощности (PF). Если PF выходит за пределы нормы, потребители будут платить больше.

В любом случае, необходимо измерять мощность в более широком спектре частот, чем это принято сегодня (до 10 кГц), и контролировать качество электроснабжения в большем количестве точек сети.

Заключение

Сегодня, когда реальное потребление приборов снижается, а реактивная мощность растет, и мы вынуждены добавлять энергию на более высоких частотах, сертифицированные измерительные приборы устарели. Пределы дополнительных погрешностей и испытательных сигналов/кривых должны быть изменены.

Фактические стандарты допускают дополнительные погрешности до 6% при измерении гармоник (низших гармоник). Не существует стандарта для электронного измерительного прибора для измерения высших гармоник.

Однако эти стандарты на электронные счетчики и качество электропитания НЕ отражают того факта, что источники энергии и приборы изменились. Поэтому настало время заменить эти стандарты на новые.

Хотите увидеть наши решения для интеллектуальных сетей?