Hoogfrequente power quality en supraharmonischen: schets van de problematiek

Dit artikel is een eerste in een reeks over de supraharmonischen, waarin we de problematiek situeren. In de volgende artikels wordt dieper ingegaan op de oorzaken van de problemen en de mogelijke oplossingen.

Het laagspanningsnet ondergaat de laatste jaren een grote transformatie. Mede aangestuurd door zowel de economische realiteit, klimatologische verschuivingen en een wijzigende wetgeving wordt gestreefd naar een hoog aantal hernieuwbare energiebronnen en energie-efficiënte oplossingen. Eén van de belangrijkste technologieën die deze verschuiving mogelijk maakt, is schakelende vermogenselektronica. Maar vermogenselektronica veroorzaakt problemen in het net, in het frequentiegebied 2 tot 150 kHz, beter bekend als supraharmonischen en hoogfrequente power quality. Deze problemen zullen in de toekomst steeds frequenter voorkomen.

Oorzaak van de problematiek

Welke toestellen bij u thuis werken intern met en zonder vermogenselektronica? Het lijstje ‘met’ zal ongetwijfeld langer zijn dan het lijstje ‘zonder’. Spaarlampen (CFL) en een groot deel van de ledverlichting nemen prominent de plaats in van de klassieke gloeilamp- en halogeenverlichting. Nagenoeg alle apparatuur zoals laptops, tv’s, enz. beschikken over SMPS (Switched Mode Power Supplies) en APFC (Active Power Factor Correction). De evolutie naar meer hernieuwbare energieproductie zorgt voor een stijging van het aantal netgekoppelde invertoren voor zonnepanelen en batterijsystemen. Frequentieomvormers worden veelvuldig ingezet bij liften, circulatiepompen van de centrale verwarming, ventilatiesystemen en huishoudelijke toestellen. Bij de huishoudelijke toestellen kunnen daarnaast ook inductiekookplaten en witgoed gecatalogeerd worden als toestellen met vermogenselektronica. Tenslotte wat betreft de elektrische wagens staan we pas aan het begin van een toenemend gebruik met bijhorende impact op het elektriciteitsnet. Al deze groepen gebruikers bevatten schakelende halfgeleiders. De omzetting van AC naar DC of omgekeerd gebeurt met een hoog rendement (>90%). In de meeste toepassingen schakelen halfgeleiders typisch op schakelfrequenties fs tussen 2 kHz en 150 kHz. PV-invertoren (fotovoltaïsche invertoren) schakelen rond 16 à 17 kHz. Voedingen (SMPS) schakelen typisch rond 48 kHz.

Door dit schakelend gedrag ontstaan nieuwe problemen met de stroomkwaliteit. Als gevolg van de schakelende vermogenselektronica zullen de netspanning en -stroom, naast harmonische frequenties, een toenemend gehalte aan hoogfrequente harmonischen bevatten in een frequentiebereik tot 150 kHz en meer.

Power quality en EMC

Laat ons eerst starten met het verklaren van enkele begrippen. Vermogenskwaliteit, veel beter bekend onder de naam power quality, is het onderzoek van de kenmerken van elektriciteit op een bepaald punt in het elektriciteitsnet. De ideale spanningsen stroomgolfvorm is sinusvormig en heeft een constante amplitude en frequentie. Bij driefasige netten zijn de ideale spanningen en stromen gebalanceerd. Afwijkende golfvormen zorgen voor problemen in het net en de gebruikers, zoals o.a. spanningsverschuivingen en opwarming van transformatoren. Deze afwijkingen ontstaan door de combinatie van niet-lineaire verbruikers en een niet-verwaarloosbare netimpedantie (fig. 1). Aangezien de gebruiker een bepaalde kwaliteitsvolle spanning verwacht, spreken we beter over spanningskwaliteit (voltage quality) in plaats van over power quality. Veronderstel de ideale spanningsbron met tijdsafhankelijke (ogenblikkelijke) waarde. De netimpedantie Z wordt gevormd door de weerstand en inductiviteit van de kabels en transformator. De stroom i, gevraagd door toestel 1, veroorzaakt een spanningsval over de netimpedantie. Hierdoor ontstaat er een spanningsval over het net met een gelijke vorm als de stroom. De geleverde netspanning aan de andere toestellen, aangesloten op hetzelfde net is bijgevolg. Als deze stroom niet sinusvormig is, dan is de netspanning ook niet sinusvormig en bevat deze harmonischen. De kwaliteit van de spanning is bijgevolg gedaald. Om dit op te lossen zijn er twee mogelijkheden. Men kan de netimpedantie verlagen of men kan de stroomvorm van de toestellen meer sinusvormig maken. Om te weten wat een voldoende kwalitatieve spanning is, bestaan er normen, die een onderscheid maken in frequentiegebieden.

Voor het gebied tot 2 kHz moeten twee zaken uit elkaar gehouden worden. Ten eerste spreken we over elektromagnetische compatibiliteit (EMC). EMC betreft het beperken van emissie van toestellen en het verhogen van immuniteit van toestellen tegen laagfrequente fenomenen, zoals harmonischen, flicker en spanningsdips. Om te voldoen aan de EMC-richtlijn moet een toestel voldoen aan meerdere relevante normen in dit frequen-