電能質(zhì)量(PQ)測量在當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性

時間：2024-11-25 閱讀：242

一,、當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施對電能質(zhì)量測量的需求

由于發(fā)電模式以及能源消費結(jié)構(gòu)不斷變化,，電能質(zhì)量重新受到關(guān)注,。不同電壓水平的可再生能源實現(xiàn)了增長,，導(dǎo)致PQ相關(guān)的問題增多。由于在電網(wǎng)的多個入口點增加了多種電壓水平的不同步負載,，消費模式也發(fā)生了廣泛的變化,。例如，電動汽車(EV)充電樁可能需要數(shù)百千瓦功率和大量數(shù)據(jù)中心及其相關(guān)設(shè)備,，如供暖,、通風(fēng)和空調(diào)。在工業(yè)應(yīng)用中,，由變頻驅(qū)動器運行的電弧爐,、開關(guān)變壓器等不僅會給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會導(dǎo)致電壓突降,、突升,、瞬時掉電和閃爍。

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圖1.電能質(zhì)量問題

電力領(lǐng)域的電能質(zhì)量是指輸送給消費者的電壓質(zhì)量,。關(guān)于幅度,、相位和頻率的一系列規(guī)定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。然而,，根據(jù)定義,，它表示電壓和電流兩者。電壓很容易由發(fā)電方控制,，但電流在很大程度上取決于消費者的使用情況,。根據(jù)最終用戶的不同，PQ問題的概念和含義相當(dāng)廣泛,。

過去幾年里，人們對不良PQ的經(jīng)濟影響進行了廣泛的研究和調(diào)查,。據(jù)估計,，其在全球范圍內(nèi)造成的經(jīng)濟影響約為數(shù)十億美元。所有這些研究的結(jié)論是,，監(jiān)測電能質(zhì)量對許多商業(yè)部門的經(jīng)濟效益有直接影響,。盡管不良PQ對商業(yè)經(jīng)濟的負面影響顯而易見,，但有效且高效地大規(guī)模監(jiān)測PQ并非易事。監(jiān)測設(shè)施中的PQ需要訓(xùn)練有素的人員和昂貴的設(shè)備,，這些設(shè)備長時間或無限期地安裝在電力系統(tǒng)的多個節(jié)點上,。

二、電能質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域

電能質(zhì)量監(jiān)測常被一些商業(yè)部門視為成本節(jié)約策略,，而對另一些商業(yè)部門來說,，它是一項關(guān)鍵活動。如圖2所示,，電能質(zhì)量問題可能出現(xiàn)在各種電力基礎(chǔ)設(shè)施中,。正如我們將在后面所討論的，電能質(zhì)量監(jiān)測在發(fā)電和配電,、電動汽車充電,、工廠、數(shù)據(jù)中心等商業(yè)領(lǐng)域變得越來越重要,。

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圖2.發(fā)電和用電的動態(tài)變化可能導(dǎo)致各種電力基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)電能質(zhì)量問題

1,、電力公司和輸配電

電力公司通過輸配電系統(tǒng)為消費者服務(wù)，輸配電系統(tǒng)包括變電站,，變電站經(jīng)由輸電線路供應(yīng)電力,。通過這些輸電線路提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低電平，變壓器會向系統(tǒng)注入一些諧波或間諧波,。配電系統(tǒng)中的諧波電流可能導(dǎo)致諧波失真,、低功率因數(shù)、額外損耗以及電氣設(shè)備過熱,，進而造成設(shè)備壽命縮短和散熱成本增加,。由這些變電站變壓器供電的非線性單相負載會使電流波形變形。非線性負載的不平衡會導(dǎo)致電力變壓器的額外損耗,、額外中性負載,、低功率斷路器的意外操作以及用電量的不正確測量。圖3顯示了此類非線性負載的影響,。

風(fēng)力和光伏(PV)太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的電力注入電網(wǎng)后,，也會導(dǎo)致一些電能質(zhì)量問題。在風(fēng)力發(fā)電方面,，風(fēng)的間歇性會產(chǎn)生諧波和短期電壓變化,。光伏太陽能系統(tǒng)中的逆變器會產(chǎn)生噪聲，這些噪聲可能引起電壓瞬變,、失真諧波和射頻噪聲,，因為逆變器通常使用高速開關(guān)來提高能量手機的效率。

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圖3.非線性負載產(chǎn)生的電流諧波的影響

2、電動汽車充電樁

電動汽車充電樁可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰(zhàn),，既有送至電網(wǎng)的電力方面的,，又有來自電網(wǎng)的電力方面的（見圖4）。從配電公司的角度來看,，電動汽車充電樁中使用的基于電力電子的轉(zhuǎn)換器會注入諧波和間諧波,。電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計不當(dāng)?shù)某潆姌犊赡軙⑷胫绷麟?DC)。此外,，快速電動汽車充電樁會將快速電壓變化和電壓閃爍引入電網(wǎng),。從電動汽車充電樁方面來看，輸電或配電系統(tǒng)中的故障會導(dǎo)致電壓突降或充電樁電源電壓中斷,。電動汽車充電樁的電壓容限降低會導(dǎo)致欠壓保護激活和與電網(wǎng)斷開（這會造成非常糟糕的用戶體驗）,。

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圖4.電動汽車充電樁面臨的電能質(zhì)量問題

3、工廠

根據(jù)美國電力研究所(EPRI)的報告,，美國工業(yè)設(shè)施每年因為電源變化和電壓擾動引起的電能質(zhì)量問題而蒙受的損失約為1190億美元,。此外，根據(jù)歐洲銅業(yè)研究所的數(shù)據(jù),，25個歐盟國家每年因為不同的PQ問題而遭受相當(dāng)于1600億美元的財務(wù)損失,。這些數(shù)字與后續(xù)的停工和生產(chǎn)損失以及知識生產(chǎn)力的折算損失直接相關(guān)。

電能質(zhì)量的下降通常是由電弧爐和工業(yè)電機的間歇性負載和負載變化引起的,。此類干擾會引起浪涌,、突降、諧波失真,、中斷,、閃爍和信令電壓。為了在工廠設(shè)施內(nèi)部檢測和記錄這些干擾,，有必要在整個電氣設(shè)施中的多個節(jié)點上使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備,，或在負載級使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備會更好。隨著新的工業(yè)4.0技術(shù)的到來,，負載處的電能質(zhì)量監(jiān)測可以通過工業(yè)面板儀表或子儀表來解決,，以全面了解輸送到每個負載的電能質(zhì)量。

4,、數(shù)據(jù)中心

目前,，大多數(shù)商業(yè)活動都以這樣或那樣的方式依賴數(shù)據(jù)中心來提供電子郵件、數(shù)據(jù)存儲,、云服務(wù)等,。數(shù)據(jù)中心需要高水平、清潔,、可靠,、不間斷的電力供應(yīng)。出色的PQ監(jiān)測有助于管理人員預(yù)防代價高昂的停電，并幫助管理因電源單元(PSU)問題而需要進行的設(shè)備維護或更換,。不間斷電源(UPS)系統(tǒng)集成到機架配電單元(PDU)中，是需要向數(shù)據(jù)中心內(nèi)的IT機架添加PQ監(jiān)測的另一個原因,。這種集成可以提供電源插座級別的電源問題可見性,。

根據(jù)Emerson Network Power的一份報告，UPS系統(tǒng)故障（包括UPS和電池）是數(shù)據(jù)中心意外停電的首要原因,。在所有報告的停電事件中,，約有三分之一給公司造成了接近25萬美元的損失。每個數(shù)據(jù)中心都會使用UPS系統(tǒng),，以確保清潔和不間斷的電力供應(yīng),。這些系統(tǒng)隔離并減輕了電力公司方面的大部分電力問題，但它們不能防范IT設(shè)備本身的PSU產(chǎn)生的問題,。IT設(shè)備PSU是非線性負載,，此類負載可能引入諧波失真和其它由設(shè)備造成的問題，有些問題可能導(dǎo)致需要使用帶有變頻調(diào)速風(fēng)扇的高密度散熱系統(tǒng),。除了這些問題,，PSU還面臨多種形式的干擾，如電壓瞬變和浪涌,、電壓突升,、下降和尖峰、不平衡或波動,、頻率變化,、設(shè)備接地不良。

三,、電能質(zhì)量標準說明

電能質(zhì)量標準規(guī)定了電力幅度的可測量限值,，即它們可以偏離標稱額定值多遠。不同的標準適用于電力系統(tǒng)的不同組成部分,。具體來說,，國際電工委員會(IEC)在IEC 61000-4-30標準中定義了交流(AC)電力系統(tǒng)PQ參數(shù)的測量方法和結(jié)果解釋。PQ參數(shù)是針對50 Hz和60 Hz的基頻聲明的,。此標準還規(guī)定了兩類測量設(shè)備：A類和S類,。

A類定義了PQ參數(shù)測量的最高準確度和精確度，用于合同事務(wù)和爭議解決中需要非常精密測量的儀器,。它也適用于需要驗證標準合規(guī)性的設(shè)備,。
S類用于電能質(zhì)量評估、統(tǒng)計分析應(yīng)用和低不確定度的電能質(zhì)量問題診斷,。此類儀器可以報告標準定義的參數(shù)的一個有限子集,。使用S類儀器進行的測量可以在網(wǎng)絡(luò)上的多個站點、在全部位置、甚至在單臺設(shè)備上進行,。

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