【導(dǎo)讀】一些例子是電動汽車 (EV) 充電器，可能需要數(shù)百千瓦以及大量數(shù)據(jù)中心及其相關(guān)設(shè)備，例如供暖、通風(fēng)和空調(diào)。在工業(yè)應(yīng)用中，由變頻驅(qū)動器、開關(guān)變壓器等運(yùn)行的電弧爐不僅會向電網(wǎng)添加大量不需要的諧波，還會造成電壓驟降、驟升、瞬態(tài)斷電和閃變。
當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施中電能質(zhì)量測量的需求
一些例子是電動汽車 (EV) 充電器，可能需要數(shù)百千瓦以及大量數(shù)據(jù)中心及其相關(guān)設(shè)備，例如供暖、通風(fēng)和空調(diào)。在工業(yè)應(yīng)用中，由變頻驅(qū)動器、開關(guān)變壓器等運(yùn)行的電弧爐不僅會向電網(wǎng)添加大量不需要的諧波，還會造成電壓驟降、驟升、瞬態(tài)斷電和閃變。
圖 1. 電能質(zhì)量問題。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
公用事業(yè)領(lǐng)域的電能質(zhì)量是指輸送給消費(fèi)者的電壓質(zhì)量；一系列有關(guān)幅度、相位和頻率的規(guī)定規(guī)定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。然而，根據(jù)定義，它既表示電壓又表示電流。雖然電壓很容易由發(fā)電側(cè)控制，但電流很大程度上取決于消費(fèi)者的使用情況。PQ 問題的概念和影響相當(dāng)廣泛，具體取決于終用戶。
過去幾年，人們對不良 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)，其影響在全世界范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)十億美元。1所有這些研究都得出結(jié)論，電力質(zhì)量監(jiān)測對許多行業(yè)的經(jīng)濟(jì)成果有直接影響。盡管很明顯 PQ 對商業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了多么嚴(yán)重的負(fù)面影響，但大規(guī)模、有效地對其進(jìn)行監(jiān)控并不是一件容易的事。監(jiān)測設(shè)施中的電能質(zhì)量需要在電力系統(tǒng)的多個(gè)點(diǎn)上長期或無限期地安裝訓(xùn)練有素的人員和昂貴的設(shè)備。
電能質(zhì)量監(jiān)測應(yīng)用
電能質(zhì)量監(jiān)測通常被視為某些業(yè)務(wù)部門的成本節(jié)約策略，而對于其他業(yè)務(wù)部門則被視為關(guān)鍵活動。電能質(zhì)量問題可能出現(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，電能質(zhì)量監(jiān)測在發(fā)電和配電、電動汽車充電、工廠和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域變得越來越重要中心。
電力公司、輸電和配電
公用事業(yè)公司為消費(fèi)者提供包括發(fā)電站在內(nèi)的配電系統(tǒng)，這些發(fā)電站是通過輸電線路供電的變電站。通過這些傳輸線提供的電壓通過變電站變壓器降壓至較低水平，從而將某些諧波或間諧波注入系統(tǒng)。配電系統(tǒng)中的諧波電流會導(dǎo)致諧波畸變、功率因數(shù)低、附加損耗以及電氣設(shè)備過熱2，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短和冷卻成本增加。這些變電站變壓器提供的非線性單相負(fù)載使電流波形變形。非線性負(fù)載的不平衡會導(dǎo)致電力變壓器的額外損耗、額外的中性負(fù)載、小功率斷路器的意外操作以及消耗電量的錯誤測量。3圖 3 說明了這些線性負(fù)載的影響。
圖 2. 發(fā)電和消費(fèi)的動態(tài)可能導(dǎo)致整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施的電能質(zhì)量問題。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
風(fēng)能和太陽能光伏（PV）系統(tǒng)發(fā)電并入電網(wǎng)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)力間歇性會產(chǎn)生諧波和短時(shí)電壓變化。4由于通常使用高速開關(guān)來提高所收集能量的效率，光伏太陽能系統(tǒng)中的逆變器會產(chǎn)生噪聲，從而產(chǎn)生電壓瞬變、諧波失真和射頻噪聲。
電動汽車充電器
電動汽車充電器可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰(zhàn)，無論是輸入還是輸出電網(wǎng)的電力（見圖 4）。從配電公司的角度來看，電動汽車充電器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(jì)不當(dāng)?shù)某潆娖骺赡軙⑷胫绷麟?(DC)。此外，快速電動汽車充電器會給電網(wǎng)帶來快速的電壓變化和電壓閃爍。從電動汽車充電器方面來看，輸電或配電系統(tǒng)的故障會導(dǎo)致電壓驟降或充電器供電電壓中斷。電動汽車充電器容差限制的電壓降低將導(dǎo)致欠壓保護(hù)激活并與電網(wǎng)斷開（這會導(dǎo)致非常糟糕的用戶體驗(yàn)）。
圖 3. 非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流諧波的影響。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
根據(jù)電力研究所 (EPRI) 的，美國工業(yè)設(shè)施每年因電源變化和電壓干擾引起的電能質(zhì)量問題造成的損失約為 1,190 億美元。6此外，根據(jù)歐洲銅業(yè)協(xié)會 (European Copper Institute) 的數(shù)據(jù)，由于不同的 PQ 問題，25 個(gè)歐盟國家每年蒙受相當(dāng)于 1600 億美元的財(cái)務(wù)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)。
圖 4. 電動汽車充電器的電能質(zhì)量問題。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
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。此類干擾會引起浪涌、驟降、諧波失真、中斷、閃爍和信號電壓。9為了檢測和記錄工廠裝置內(nèi)的這些干擾，有必要在整個(gè)電力裝置的多個(gè)點(diǎn)安裝電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，或者更好的是在負(fù)載級別安裝電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備。隨著新工業(yè) 4.0 技術(shù)的到來，負(fù)載處的電能質(zhì)量監(jiān)控可以通過工業(yè)面板表或子表來實(shí)現(xiàn)，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)商業(yè)活動都以某種方式依賴于數(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)中心需要高水平的清潔、可靠、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)高昂的停電，并幫助管理因電源裝置 (PSU) 問題而需要的設(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) 中是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的 IT 機(jī)架中添加 PQ 監(jiān)控的另一個(gè)原因。這種集成可以提供電源插座級別的電源問題的可見性。
根據(jù)艾默生網(wǎng)絡(luò)能源的一份，UPS 系統(tǒng)故障（包括 UPS 和電池）是導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心意外停機(jī)的主要原因。10在所有的中斷中，大約有三分之一給公司造成了近 25 萬美元的損失。11每個(gè)數(shù)據(jù)中心均使用 UPS 系統(tǒng)，以確保清潔且不間斷的電力。這些系統(tǒng)可以隔離并緩解公用事業(yè)方面的大部分電源問題，但它們不能防止 IT 設(shè)備本身的 PSU 產(chǎn)生的問題。IT 設(shè)備 PSU 是非線性負(fù)載，除了設(shè)備引起的其他問題外，還會引入諧波失真，例如導(dǎo)致具有變頻調(diào)速風(fēng)扇的高密度冷卻系統(tǒng)的問題。除了這些問題外，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、頻率變化以及設(shè)施接地不良等。
電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的定義
電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電強(qiáng)度的可測量限制，即電強(qiáng)度與標(biāo)稱指定值的偏差程度。不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于電力系統(tǒng)的不同組成部分。具體來說，國際電工委員會（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)的測量方法和結(jié)果解釋。PQ 參數(shù)針對 50 Hz 和 60 Hz 的基頻聲明。該標(biāo)準(zhǔn)還為測量設(shè)備建立了兩個(gè)類別：A 類和 S 類。
圖 5. IEC 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
A 級定義了 PQ 參數(shù)測量的準(zhǔn)確度和度，用于需要非常的測量來解決合同事務(wù)和爭議的儀器。它也適用于需要驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)符合性的設(shè)備。
S類用于電能質(zhì)量評估、統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用以及低不確定性電能質(zhì)量問題的診斷。此類儀器可以標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)的有限子集。使用 S 類儀器進(jìn)行的測量可以在網(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。
值得注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測量方法，建立了結(jié)果解釋指南，并規(guī)定了電能質(zhì)量計(jì)的性能。它沒有給出儀器本身設(shè)計(jì)的指南。
IEC 61000-4-30 標(biāo)準(zhǔn)定義了 A 類和 S 類測量設(shè)備的以下 PQ 參數(shù)。
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
電壓和電流諧波和間諧波
電壓快速變化
欠偏差和過偏差
電源電壓上的主信號電壓
圖 6. 時(shí)間尺度內(nèi)電能質(zhì)量參數(shù)的分類。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
表 1. IEC 61000-4-30 A 類和 S 類主要區(qū)別。
盡管 A 級定義了比 S 級更高的準(zhǔn)確度和度級別，但差異不僅僅在于準(zhǔn)確度級別。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 列出了儀器要獲得某一類別或另一類別應(yīng)滿足的要求。
電能質(zhì)量總結(jié)
整個(gè)電力基礎(chǔ)設(shè)施都存在電能質(zhì)量問題。擁有監(jiān)控這些 PQ 問題的設(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。在第 2 部分“如何設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量儀表”中，我們將介紹一個(gè)集成解決方案和一個(gè)即用型平臺，可以顯著加快開發(fā)速度并降低 PQ 監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)成本。
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