電能質(zhì)量監測第1部分：符合標準的電能質(zhì)量測量的重要性

本文討論了電能質(zhì)量(PQ)測量在當今電力基礎設施中的重要性，并回顧了PQ監測的應用領(lǐng)域。本文將介紹IEC電能質(zhì)量標準及其參數。最后，本文總結了A類(lèi)和S類(lèi)電能質(zhì)量儀表的主要區別。后續文章將闡述關(guān)于"如何設計符合標準的電能質(zhì)量?jì)x表"的推薦解決方案。

當今電力基礎設施對電能質(zhì)量測量的需求

由于發(fā)電模式以及能源消費結構不斷變化，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(shí)現了前所未有的增長(cháng)，導致PQ相關(guān)的問(wèn)題增多。由于在電網(wǎng)的多個(gè)入口點(diǎn)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(dòng)汽車(chē)(EV)充電樁可能需要數百千瓦功率和大量數據中心及其相關(guān)設備，如供暖、通風(fēng)和空調。在工業(yè)應用中，由變頻驅動(dòng)器運行的電弧爐、開(kāi)關(guān)變壓器等不僅會(huì )給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會(huì )導致電壓突降、突升、瞬時(shí)掉電和閃爍。

圖1.電能質(zhì)量問(wèn)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定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。然而，根據定義，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。根據最終用戶(hù)的不同，PQ問(wèn)題的概念和含義相當廣泛。

過(guò)去幾年里，人們對不良PQ的經(jīng)濟影響進(jìn)行了廣泛的研究和調查。據估計，其在全球范圍內造成的經(jīng)濟影響約為數十億美元1。所有這些研究的結論是，監測電能質(zhì)量對許多商業(yè)部門(mén)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(jiàn)，但有效且高效地大規模監測PQ并非易事。監測設施中的PQ需要訓練有素的人員和昂貴的設備，這些設備長(cháng)時(shí)間或無(wú)限期地安裝在電力系統的多個(gè)節點(diǎn)上。

電能質(zhì)量監測應用領(lǐng)域

電能質(zhì)量監測常被一些商業(yè)部門(mén)視為成本節約策略，而對另一些商業(yè)部門(mén)來(lái)說(shuō)，它是一項關(guān)鍵活動(dòng)。如圖2所示，電能質(zhì)量問(wèn)題可能出現在各種電力基礎設施中。正如我們將在后面所討論的，電能質(zhì)量監測在發(fā)電和配電、電動(dòng)汽車(chē)充電、工廠(chǎng)、數據中心等商業(yè)領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。

圖2.發(fā)電和用電的動(dòng)態(tài)變化可能導致各種電力基礎設施出現電能質(zhì)量問(wèn)題

電力公司和輸配電

電力公司通過(guò)輸配電系統為消費者服務(wù)，輸配電系統包括變電站，變電站經(jīng)由輸電線(xiàn)路供應電力。通過(guò)這些輸電線(xiàn)路提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低電平，變壓器會(huì )向系統注入一些諧波或間諧波。配電系統中的諧波電流可能導致諧波失真、低功率因數、額外損耗以及電氣設備過(guò)熱2，進(jìn)而造成設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(xiàn)性單相負載會(huì )使電流波形變形。非線(xiàn)性負載的不平衡會(huì )導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3。圖3顯示了此類(lèi)非線(xiàn)性負載的影響。

風(fēng)力和光伏(PV)太陽(yáng)能系統產(chǎn)生的電力注入電網(wǎng)后，也會(huì )導致一些電能質(zhì)量問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電方面，風(fēng)的間歇性會(huì )產(chǎn)生諧波和短期電壓變化4。光伏太陽(yáng)能系統中的逆變器會(huì )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(kāi)關(guān)來(lái)提高能量手機的效率。

圖3.非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的電流諧波的影響

電動(dòng)汽車(chē)充電樁

電動(dòng)汽車(chē)充電樁可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰，既有送至電網(wǎng)的電力方面的，又有來(lái)自電網(wǎng)的電力方面的（見(jiàn)圖4）。從配電公司的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)充電樁中使用的基于電力電子的轉換器會(huì )注入諧波和間諧波。電源轉換器設計不當的充電樁可能會(huì )注入直流電(DC)。此外，快速電動(dòng)汽車(chē)充電樁會(huì )將快速電壓變化和電壓閃爍引入電網(wǎng)。從電動(dòng)汽車(chē)充電樁方面來(lái)看，輸電或配電系統中的故障會(huì )導致電壓突降或充電樁電源電壓中斷。電動(dòng)汽車(chē)充電樁的電壓容限降低會(huì )導致欠壓保護激活和與電網(wǎng)斷開(kāi)（這會(huì )造成非常糟糕的用戶(hù)體驗）5。

圖4.電動(dòng)汽車(chē)充電樁面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題

工廠(chǎng)

根據美國電力研究所(EPRI)的報告，美國工業(yè)設施每年因為電源變化和電壓擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題而蒙受的損失約為1190億美元6。此外，根據歐洲銅業(yè)研究所的數據，25個(gè)歐盟國家每年因為不同的PQ問(wèn)題而遭受相當于1600億美元的財務(wù)損失7。這些數字與后續的停工和生產(chǎn)損失以及知識生產(chǎn)力的折算損失直接相關(guān)8。

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(lèi)干擾會(huì )引起浪涌、突降、諧波失真、中斷、閃爍和信令電壓9。為了在工廠(chǎng)設施內部檢測和記錄這些干擾，有必要在整個(gè)電氣設施中的多個(gè)節點(diǎn)上使用電能質(zhì)量監測設備，或在負載級使用電能質(zhì)量監測設備會(huì )更好。隨著(zhù)新的工業(yè)4.0技術(shù)的到來(lái)，負載處的電能質(zhì)量監測可以通過(guò)工業(yè)面板儀表或子儀表來(lái)解決，以全面了解輸送到每個(gè)負載的電能質(zhì)量。

數據中心

目前，大多數商業(yè)活動(dòng)都以這樣或那樣的方式依賴(lài)數據中心來(lái)提供電子郵件、數據存儲、云服務(wù)等。數據中心需要高水平、清潔、可靠、不間斷的電力供應。出色的PQ監測有助于管理人員預防代價(jià)高昂的停電，并幫助管理因電源單元(PSU)問(wèn)題而需要進(jìn)行的設備維護或更換。不間斷電源(UPS)系統集成到機架配電單元(PDU)中，是需要向數據中心內的IT機架添加PQ監測的另一個(gè)原因。這種集成可以提供電源插座級別的電源問(wèn)題可見(jiàn)性。

根據Emerson Network Power的一份報告，UPS系統故障（包括UPS和電池）是數據中心意外停電的首要原因10。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(wàn)美元的損失11。每個(gè)數據中心都會(huì )使用UPS系統，以確保清潔和不間斷的電力供應。這些系統隔離并減輕了電力公司方面的大部分電力問(wèn)題，但它們不能防范IT設備本身的PSU產(chǎn)生的問(wèn)題。IT設備PSU是非線(xiàn)性負載，此類(lèi)負載可能引入諧波失真和其它由設備造成的問(wèn)題，有些問(wèn)題可能導致需要使用帶有變頻調速風(fēng)扇的高密度散熱系統。除了這些問(wèn)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(dòng)、頻率變化、設備接地不良。

電能質(zhì)量標準說(shuō)明

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

●   A類(lèi)定義了PQ參數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性的設備。

●   S類(lèi)用于電能質(zhì)量評估、統計分析應用和低不確定度的電能質(zhì)量問(wèn)題診斷。此類(lèi)儀器可以報告標準定義的參數的一個(gè)有限子集。使用S類(lèi)儀器進(jìn)行的測量可以在網(wǎng)絡(luò )上的多個(gè)站點(diǎn)、在全部位置、甚至在單臺設備上進(jìn)行。

圖5.IEC電能質(zhì)量標準

需要注意的是，該標準定義了測量方法，說(shuō)明了解釋結果的指南，并規定了電能質(zhì)量?jì)x表的性能。它沒(méi)有給出儀器本身的設計指南。

IEC 61000-4-30標準為A類(lèi)和S類(lèi)測量設備定義了如下PQ參數12。

●   工頻

●   電源電壓和電流的幅度

●   閃爍

●   電源電壓突降和突升

●   電壓中斷

●   電源電壓不平衡

●   電壓和電流諧波和間諧波

●   快速電壓變化

●   欠偏差和過(guò)偏差

●   電源電壓上的交流電源信令電壓

圖6.電能質(zhì)量參數在時(shí)間尺度上的分類(lèi)

IEC 61000-4-30標準定義的A類(lèi)和S類(lèi)的主要區別

盡管A類(lèi)定義了比S類(lèi)更高的準確度和精確度，但差異不僅僅是精度水平。儀器必須符合時(shí)間同步、探頭質(zhì)量、校準周期、溫度范圍等要求。表1列出了儀器要獲得某類(lèi)認證所應當滿(mǎn)足的要求。

表1.IEC 61000-4-30 A類(lèi)和S類(lèi)的主要區別

結語(yǔ)

電能質(zhì)量問(wèn)題存在于整個(gè)電力基礎設施中。擁有監測這些PQ問(wèn)題的設備有助于改善性能、服務(wù)質(zhì)量和設備壽命，同時(shí)減少經(jīng)濟損失。在后續文章"如何設計符合標準的電能質(zhì)量?jì)x表"中，我們將介紹一種集成解決方案和一個(gè)即用型平臺，它們能夠顯著(zhù)加快開(kāi)發(fā)速度并降低PQ監測產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

參考電路

1Panuwat Teansri, Worapong Pairindra, Narongkorn Uthathip Pornrapeepat Bhasaputra, and Woraratana Pattaraprakorn. “The Costs of Power Quality Disturbances for Industries Related Fabricated Metal, Machines and Equipment in Thailand.” GMSARN International Journal, Vol. 6, 2012.

2Sai Kiran Kumar Sivakoti, Y. Naveen Kumar, and D. Archana. “Power Quality Improvement In Distribution System Using D-Statcom in Transmission Lines.” International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol. 1, Issue 3.

3Gabriel N. Popa, Angela Lagar, and Corina M. Dini?. “Some Power Quality Issues in Power Substation from Residential and Educational Buildings.” 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), IEEE, 2017.

4Sulaiman A. Almohaimeed and Mamdouh Abdel-Akher. “Power Quality Issues and Mitigation for Electric Grids with Wind Power Penetration.” Applied Sciences, December 2020.

5George G. Karady, Shahin H. Berisha, Tracy Blake, and Ray Hobbs. “Power Quality Problems at Electric Vehicle’s Charging Station.” SAE Transactions, 1994.

6David Lineweber and Shawn McNulty. “The Cost of Power Disturbances to Industrial and Digital Economy Companies.” Electric Power Research Institute, Inc., June 2001.

7Roman Targosz and Jonathan Manson. “Pan-European Power Quality Survey.” 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, IEEE, 2007.

8Subrat Sahoo. “Recent Trends and Advances in Power Quality.” Power Quality in Modern Power Systems, 2020.

9A. El Mofty and K. Youssef. “Industrial Power Quality Problems.” 16th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, 2001. 第一部分： Contributions. CIRED (IEE Conf. Publ No. 482), IEEE, June 2001.

10“Cost of Data Center Outages.” Ponemon Institute, January 2016.

11“Data Center Outages Are Common, Costly, and Preventable.” Uptime Institute.

12“IEC 61000-4-30:2015: Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 4-30: Testing and Measurement Techniques-Power Quality Measurement Methods.” International Electrotechnical Commission, February 2015.