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

本文討論了電能質(zhì)量（PQ）測(cè)量在當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性，并回顧了PQ監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。它將涵蓋電能質(zhì)量及其參數(shù)的IEC標(biāo)準(zhǔn)。最后，總結(jié)了A類和S類電能質(zhì)量計(jì)之間的主要區(qū)別。后續(xù)文章將說(shuō)明“如何設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量計(jì)”的推薦解決方案。

當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)電能質(zhì)量測(cè)量的需求

由于發(fā)電模式和用電動(dòng)態(tài)的變化，電能質(zhì)量重新引起了人們的興趣。不同電壓水平的可再生能源的空前增長(zhǎng)增加了PQ相關(guān)問(wèn)題的數(shù)量。由于在電網(wǎng)的多個(gè)入口點(diǎn)和電壓水平增加了不同步負(fù)載，消費(fèi)模式也發(fā)生了廣泛的變化。一些例子是電動(dòng)汽車 （EV） 充電器，可能需要數(shù)百千瓦和大量數(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(dòng)器、開(kāi)關(guān)變壓器等運(yùn)行的電弧爐不僅會(huì)給電網(wǎng)增加大量不需要的諧波，而且還會(huì)導(dǎo)致電壓驟降、驟升、瞬態(tài)掉電和閃爍。

圖1.電能質(zhì)量問(wèn)題。

公用事業(yè)空間的電能質(zhì)量是指輸送給消費(fèi)者的電壓質(zhì)量;一系列關(guān)于幅度、相位和頻率的規(guī)定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。但是，根據(jù)定義，它表示電壓和電流。雖然電壓很容易由發(fā)電側(cè)控制，但電流主要由消費(fèi)者使用情況控制。PQ問(wèn)題的概念和影響相當(dāng)廣泛，具體取決于最終用戶。

在過(guò)去幾年中，對(duì)不良PQ的經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行了廣泛的研究和調(diào)查;據(jù)估計(jì)，其影響在全世界數(shù)十億美元左右。1所有這些研究都得出結(jié)論，監(jiān)測(cè)電力質(zhì)量對(duì)許多商業(yè)部門的經(jīng)濟(jì)效益有直接影響。盡管很明顯PQ對(duì)業(yè)務(wù)經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響有多大，但大規(guī)模有效地監(jiān)控它并非易事。監(jiān)控設(shè)施中的PQ涉及在電力系統(tǒng)的多個(gè)點(diǎn)上長(zhǎng)時(shí)間或無(wú)限期地將訓(xùn)練有素的人員和昂貴的設(shè)備安裝在一起。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)通常被視為某些業(yè)務(wù)部門的成本節(jié)約策略，而其他業(yè)務(wù)部門則被視為一項(xiàng)關(guān)鍵活動(dòng)。電力質(zhì)量問(wèn)題可能出現(xiàn)在廣泛的電力基礎(chǔ)設(shè)施中，如圖2所示。正如我們稍后將討論的那樣，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)在發(fā)電和配電、電動(dòng)汽車充電、工廠和數(shù)據(jù)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)可能導(dǎo)致整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施的電能質(zhì)量問(wèn)題。

電力公司、輸配電

公用事業(yè)公司通過(guò)包括發(fā)電站在內(nèi)的配電系統(tǒng)為消費(fèi)者提供服務(wù)，發(fā)電站是通過(guò)輸電線路供電的變電站。通過(guò)這些傳輸線提供的電壓由變電站變壓器降壓到較低水平，從而向系統(tǒng)注入某些諧波或間諧波。配電系統(tǒng)中的諧波電流會(huì)導(dǎo)致諧波失真、低功率因數(shù)、額外的損耗以及電氣設(shè)備過(guò)熱2，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短和冷卻成本增加。這些變電站變壓器服務(wù)的非線性單相負(fù)載會(huì)使電流波形變形。非線性負(fù)載的不平衡會(huì)導(dǎo)致電力變壓器的額外損耗、中性線的額外負(fù)載、低功率斷路器的意外運(yùn)行以及用電量的錯(cuò)誤測(cè)量。3圖3說(shuō)明了這些線性負(fù)載的影響。

注入電網(wǎng)的風(fēng)能和光伏（PV）太陽(yáng)能系統(tǒng)發(fā)電也會(huì)導(dǎo)致一些電能質(zhì)量問(wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電側(cè)，風(fēng)的間歇性會(huì)產(chǎn)生諧波和短時(shí)間的電壓變化。4光伏太陽(yáng)能系統(tǒng)中的逆變器產(chǎn)生的噪聲會(huì)產(chǎn)生電壓瞬變、失真諧波和射頻噪聲，因?yàn)橥ǔＳ糜谔岣呤占芰啃实母咚匍_(kāi)關(guān)。

圖3.非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流諧波的影響。

電動(dòng)汽車充電器

電動(dòng)汽車充電器在向電網(wǎng)發(fā)送和從電網(wǎng)發(fā)送的電力方面可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰(zhàn)（見(jiàn)圖 4）。從配電公司的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車充電器中使用的基于電力電子的轉(zhuǎn)換器會(huì)注入諧波和間諧波。電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)某潆娖骺赡軙?huì)注入直流電 （DC）。此外，快速電動(dòng)汽車充電器會(huì)向電網(wǎng)引入快速電壓變化和電壓閃爍。從電動(dòng)汽車充電器方面來(lái)看，輸電或配電系統(tǒng)的故障會(huì)導(dǎo)致電壓驟降或充電器電源電壓中斷。降低電動(dòng)汽車充電器容差限制的電壓將導(dǎo)致欠壓保護(hù)激活和與電網(wǎng)斷開(kāi)連接（這會(huì)導(dǎo)致非常糟糕的用戶體驗(yàn)）。5

圖4.電動(dòng)汽車充電器的電能質(zhì)量問(wèn)題。

工廠

根據(jù)電力研究所（EPRI）的報(bào)告，由電源變化和電壓干擾引起的電能質(zhì)量問(wèn)題每年為美國(guó)的工業(yè)設(shè)施造成約119億美元的損失。6此外，根據(jù)歐洲銅業(yè)研究所的數(shù)據(jù)，由于不同的PQ問(wèn)題，25個(gè)歐盟國(guó)家每年遭受相當(dāng)于160億美元（美國(guó)）的經(jīng)濟(jì)損失。7這些數(shù)字與隨后的停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)損失以及相當(dāng)于智力生產(chǎn)力損失有關(guān)。8

電能質(zhì)量下降通常是由電弧爐和工業(yè)電機(jī)的間歇性負(fù)載和負(fù)載變化引起的。這種干擾會(huì)導(dǎo)致浪涌、驟降、諧波失真、中斷、閃爍和信號(hào)電壓。9為了檢測(cè)和記錄工廠裝置內(nèi)的這些干擾，有必要在整個(gè)電氣裝置的多個(gè)點(diǎn)安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，或者更好的是，將其安裝在負(fù)載水平。隨著新工業(yè)的到來(lái) 4.0技術(shù)，負(fù)載下的電能質(zhì)量監(jiān)控可以通過(guò)工業(yè)面板儀表或分表來(lái)解決，以全面了解輸送到每個(gè)負(fù)載的電力質(zhì)量。

數(shù)據(jù)中心

目前，大多數(shù)業(yè)務(wù)活動(dòng)都以某種方式依賴于數(shù)據(jù)中心來(lái)提供電子郵件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，云服務(wù)等。數(shù)據(jù)中心需要高水平的清潔、可靠和不間斷的電力供應(yīng)。卓越的 PQ 監(jiān)控可幫助管理人員防止代價(jià)高昂的停機(jī)，并幫助管理由于電源單元 （PSU） 問(wèn)題而需要的設(shè)備維護(hù)或更換。將不間斷電源 （UPS） 系統(tǒng)集成到機(jī)架配電單元 （PDU） 中是將 PQ 監(jiān)控添加到數(shù)據(jù)中心內(nèi) IT 機(jī)架的另一個(gè)原因。這種集成可以在電源插座級(jí)別提供對(duì)電源問(wèn)題的可見(jiàn)性。

根據(jù)艾默生網(wǎng)絡(luò)能源的一份報(bào)告，UPS系統(tǒng)故障，包括UPS和電池，是計(jì)劃外數(shù)據(jù)中心中斷的主要原因。10在所有報(bào)告的停電中，約有三分之一使公司損失了近 250，000 美元。11每個(gè)數(shù)據(jù)中心都使用UPS系統(tǒng)，以確保清潔和不間斷的電力。這些系統(tǒng)從公用事業(yè)方面隔離和緩解大多數(shù)電源問(wèn)題，但它們不能防止IT設(shè)備本身的PSU產(chǎn)生的問(wèn)題。IT設(shè)備PSU是非線性負(fù)載，除了由設(shè)備引起的其他問(wèn)題外，還可能引入諧波失真，例如可能導(dǎo)致具有變頻速度控制風(fēng)扇的高密度冷卻系統(tǒng)的問(wèn)題。除了這些問(wèn)題之外，PSU 還面臨多種形式的干擾，例如電壓瞬變和浪涌、電壓驟升、驟降和尖峰、不平衡或波動(dòng)、頻率變化以及設(shè)施接地不良。

定義的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電大小的可測(cè)量限制，即它們可以偏離標(biāo)稱指定值的程度。不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于電力系統(tǒng)的不同組成部分。具體而言，國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 在 IEC 61000-4-30 標(biāo)準(zhǔn)中定義了交流 （AC） 電力系統(tǒng) PQ 參數(shù)的測(cè)量和結(jié)果解釋方法。PQ 參數(shù)聲明為 50 Hz 和 60 Hz 的基頻。該標(biāo)準(zhǔn)還為測(cè)量設(shè)備規(guī)定了兩個(gè)等級(jí)：A類和S類。

A類定義了PQ參數(shù)測(cè)量的最高準(zhǔn)確度和精密度，用于合同事項(xiàng)和爭(zhēng)議解決中需要非常精確測(cè)量的儀器。它也適用于需要驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的設(shè)備。

S 類用于低不確定性的電能質(zhì)量評(píng)估、統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用和電能質(zhì)量問(wèn)題的診斷。此類儀器可以報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)定義的有限參數(shù)子集。使用S類儀器進(jìn)行的測(cè)量可以在網(wǎng)絡(luò)上的多個(gè)站點(diǎn)，整個(gè)位置甚至單個(gè)設(shè)備上進(jìn)行。

圖5.IEC電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)量方法，建立了解釋結(jié)果的指南，并規(guī)定了電能質(zhì)量表的性能。它沒(méi)有給出儀器本身設(shè)計(jì)的指南。

IEC 61000-4-30 標(biāo)準(zhǔn)為 A 類和 S 類測(cè)量設(shè)備定義了以下 PQ 參數(shù)。12

工頻

電源電壓和電流的大小

閃爍

電源電壓驟降和驟升

電壓中斷

電源電壓不平衡

電壓和電流諧波以及間諧波

快速電壓變化

欠偏差和過(guò)度偏差

電源電壓上的電源信號(hào)電壓

圖6.在時(shí)間尺度上對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行分類。

IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)定義的A類和S類之間的主要區(qū)別

盡管 A 類定義了比 S 類更高的準(zhǔn)確度和精度級(jí)別，但差異不僅僅是精度級(jí)別。儀器必須符合時(shí)間同步、探頭質(zhì)量、校準(zhǔn)周期、溫度范圍等要求。表1列出了儀器必須滿足的要求才能獲得一類或另一類認(rèn)證。

結(jié)論

整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施都存在電能質(zhì)量問(wèn)題。擁有監(jiān)控這些 PQ 問(wèn)題的設(shè)備有助于提高性能、服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備使用壽命，同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)損失。在隨后的文章“如何設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量計(jì)”中，我們將介紹一個(gè)集成解決方案和一個(gè)即用型平臺(tái)，可以顯著加快開(kāi)發(fā)速度并降低開(kāi)發(fā)PQ監(jiān)控產(chǎn)品的成本。

審核編輯：郭婷