Über Harmonischen und deren Beseitigung

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1. Was sind Harmonischen? Die grundlegende Ursache für die Entstehung von Harmonischen im Stromnetz liegt in nichtlinearen Lasten. Wenn Strom durch eine Last fließt, besteht kein linearer Zusammenhang mit der angelegten Spannung – es entsteht somit ein nicht-sinusförmiger Strom, wodurch Harmonischen entstehen. Die Harmoniefrequenzen sind ganze Vielfache der Grundfrequenz. Laut den Analyseprinzipien des französischen Mathematikers Fourier kann jede wiederholte Wellenform in Sinuswellenkomponenten zerlegt werden, die aus der Grundfrequenz sowie einer Reihe von Harmonien bestehen, die Vielfache der Grundfrequenz sind. Harmonischen sind Sinuswellen; jede Harmonische weist eine andere Frequenz, Amplitude und Phasenwinkel auf. Harmonischen kann man in gerade und ungerade einteilen. Die mit den Nummern 3, 5, 7 bezeichneten Harmonischen sind ungerade Harmonischen, während 2, 4, 6, 8 usw. gerade Harmonischen sind. Wenn die Grundfrequenz 50 Hz beträgt, dann beträgt die Frequenz der 2. Harmonische 100 Hz, die der 3. Harmonische hingegen 150 Hz. Im Allgemeinen verursachen ungerade Harmonischen mehr und größere Schäden als gerade Harmonischen. In einem ausgewogenen dreiphasigen System werden aufgrund der Symmetrie die geradzahligen Harmonischen eliminiert; es existieren nur die ungeradzahligen Harmonischen. Bei dreiphasigen Gleichstromlasten treten Harmoniestromstärken in der Form von 6n±1-Harmonischen auf, wie zum Beispiel 5, 7, 11, 13, 17, 19 usw. Der Wechselrichter erzeugt hauptsächlich die 5.- und 7.-Harmonischen. “Der Begriff „Harmonische“ stammt aus der Akustik. Die mathematische Analyse der Harmonischen wurde im 18. und 19. Jahrhundert bereits eine solide Grundlage geschaffen. Die von Fourier und anderen entwickelte Methode der Harmonalanalyse wird bis heute weit verbreitet eingesetzt. Das Problem der Harmonischen in Stromnetzen erregte bereits in den 1920er und 1930er Jahren die Aufmerksamkeit der Menschen. Zu dieser Zeit in Deutschland führte der Einsatz von stationären Quecksilberbogenumrichtern zu Verzerrungen der Spannungs- und Stromwellenformen. Die 1945 von J.C. Read veröffentlichte Abhandlung über die Harmonischen von Wechselrichtern gilt als ein klassisches Werk aus der frühen Forschung zu Harmonischen. In den 1950er und 1960er Jahren wurden aufgrund der Entwicklung der Technologie zur Übertragung von Gleichstrom bei hohem Druck zahlreiche Artikel veröffentlicht, die sich mit den durch Umrichter verursachten Harmonikproblemen in Stromnetzen befassten. Seit den 1970er Jahren hat sich aufgrund der rasanten Entwicklung der Elektroniktechnologie die Anwendung verschiedener Elektronikgeräte in Stromnetzen, in der Industrie, im Verkehr sowie in Haushalten immer weiter verbreitet. Dadurch werden die Schäden, die durch Harmonischen verursacht werden, immer gravierender. Alle Länder der Welt schenken dem Problem der Harmonischen ausreichende Aufmerksamkeit. Weltweit wurden mehrere wissenschaftliche Konferenzen zu Themen der Harmonischen abgehalten, und zahlreiche internationale wissenschaftliche Organisationen haben Standards und Vorschriften zur Eindämmung von Harmonischen in Stromnetzen sowie in Verbrauchseinrichtungen festgelegt. Die Bedeutung der Forschung zu Harmonischen liegt in ihrer Moralität, denn die Schäden durch Harmonische sind äußerst ernst. Harmonischen verringern die Effizienz bei der Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Elektrizität. Sie verursachen Überhitzung von elektrischen Geräten, Vibrationen und Geräusche. Zudem beschleunigen sie den Alterungsprozess der Isolierung, verkürzen so die Lebensdauer der Geräte – es können sogar Störungen oder Brandgefahr entstehen. Harmonischen können zu lokaler paralleler oder serieller Resonanz im Stromnetz führen, wodurch der Anteil an Harmonischen zunimmt und Geräte wie Kondensatoren beschädigt werden können. Harmonischen können außerdem zu Fehlfunktionen von Relais-Schutzsystemen und Automatisierungseinrichtungen führen, was zu Unregelmäßigkeiten bei der Energiemessung führt. Außerhalb des Stromnetzes verursachen Harmonischen erhebliche Störungen in Kommunikations- und Elektronikgeräten. 2. Zur Reduzierung der Harmonischen zur Lösung des Problems der Harmonikverschmutzung durch Elektronikgeräte und andere Quellen von Harmonischen gibt es zwei grundlegende Ansätze: Einer besteht darin, Harmonikkompensationsanlagen einzusetzen, um die Harmonischen auszugleichen – dieser Ansatz ist für alle Arten von Harmonikquellen geeignet ； Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektronischen Schaltgeräte selbst zu modifizieren, sodass keine Harmonischen erzeugt werden und der Leistungsfaktor auf 1 gesteuert werden kann. Das gilt natürlich nur für elektronische Schaltgeräte, die als Hauptquelle für Harmonischen fungieren. Die traditionelle Methode zur Installation von Harmonikakompensationsgeräten besteht darin, LC-Tonabstimmungsfilter zu verwenden. Diese Methode kann sowohl Harmonischen als auch Blindleistung ausgleichen, ist außerdem einfach aufgebaut und wird daher weiterhin weit verbreitet eingesetzt. Der Hauptnachteil dieser Methode ist, dass die Kompensationseigenschaften von der Impedanz des Stromnetzes sowie vom Betriebszustand abhängen. Dadurch kann es zu einer parallelen Resonanz mit dem System kommen, was wiederum zur Verstärkung der Harmonischen führt. Dies kann dazu führen, dass der LC-Filter überlastet wird oder sogar zerstört wird. Außerdem kann es nur Harmonischen einer festen Frequenz ausgleichen, und die Ausgleichswirkung ist auch nicht besonders gut. 3. Reaktive Leistungscompensation: Die Menschen verstehen die aktive Leistung sehr leicht, doch ein tiefes Verständnis der reaktiven Leistung zu erlangen, ist nicht so einfach. In sinusförmigen Schaltungen ist das Konzept der Blindleistung klar definiert, während es bei Schaltungen mit Harmonischen bis heute keine allgemein anerkannte Definition für die Blindleistung gibt. Doch die Bedeutung des Konzepts der Blindleistung sowie das Verständnis für die Wichtigkeit der Blindleistungskompensation sind einheitlich. Die Blindleistungskompensation sollte sowohl die Kompensation der Grundwellen-Blindleistung als auch die Kompensation der Harmonischen-Blindleistung umfassen. Reaktive Leistung ist für den Betrieb von Stromversorgungssystemen und Lasten von großer Bedeutung. Die Impedanz der Netzkomponenten im Stromnetz ist hauptsächlich inductiv. Kurz gesagt: Um Leistung zu übertragen, ist es notwendig, dass zwischen der Spannung am Sendende und der Spannung am Empfänger ein Phasenunterschied besteht. Dieser kann in einem ziemlich weiten Bereich realisiert werden ； Um Leistungsträger zu übertragen, ist ein Spannungsunterschied zwischen den beiden Enden erforderlich – dieser kann jedoch nur in einem sehr engen Bereich erreicht werden. Nicht nur die meisten Netzkomponenten verbrauchen Blindleistung, auch die meisten Lasten benötigen Blindleistung. Die Blindleistung, die von den Netzkomponenten und Lasten benötigt wird, muss irgendwo im Netz bereitgestellt werden. Offensichtlich ist es unvernünftig – und in der Regel auch unmöglich –, wenn diese Blindleistung vollständig von Generatoren bereitgestellt und über weite Entfernungen transportiert werden soll. Eine sinnvolle Methode besteht darin, die Leistungsträgheit an den Stellen zu erzeugen, an denen sie benötigt wird – das ist die Leistungsträgheitskompensation. Die Funktionen der Blindleistungskompensation sind hauptsächlich folgende: (1) Erhöhung des Leistungsfaktors des Stromversorgungssystems sowie der Lasten, Verringerung der Gerätekapazitäten und Reduzierung von Leistungsverlusten. (2) Stabilisierung der Spannung am Empfänger sowie im Stromnetz, um die Qualität der Stromversorgung zu verbessern. Die Installation von dynamischen Blindleistungskompenzationsanlagen an geeigneten Stellen in den Langstrecken-Übertragungsleitungen kann zudem die Stabilität des Übertragungssystems verbessern und die Übertragungskapazität erhöhen. (3) Bei ungleichmäßigen Dreiphasenlasten, wie sie beispielsweise in elektrifizierten Eisenbahnen vorkommen, kann durch geeignete Reaktivleistungen die aktive sowie die reaktive Last der drei Phasen ausgeglichen werden.