【導讀】一些例子是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器，可能需要數百千瓦以及大量數據中心及其相關(guān)設備，例如供暖、通風(fēng)和空調。在工業(yè)應用中，由變頻驅動(dòng)器、開(kāi)關(guān)變壓器等運行的電弧爐不僅會(huì )向電網(wǎng)添加大量不需要的諧波，還會(huì )造成電壓驟降、驟升、瞬態(tài)斷電和閃變。
當今電力基礎設施中電能質(zhì)量測量的需求
一些例子是電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器，可能需要數百千瓦以及大量數據中心及其相關(guān)設備，例如供暖、通風(fēng)和空調。在工業(yè)應用中，由變頻驅動(dòng)器、開(kāi)關(guān)變壓器等運行的電弧爐不僅會(huì )向電網(wǎng)添加大量不需要的諧波，還會(huì )造成電壓驟降、驟升、瞬態(tài)斷電和閃變。
圖 1. 電能質(zhì)量問(wèn)題。圖片由博多電力系統提供
公用事業(yè)領(lǐng)域的電能質(zhì)量是指輸送給消費者的電壓質(zhì)量；一系列有關(guān)幅度、相位和頻率的規定規定決定了這種服務(wù)質(zhì)量。然而，根據定義，它既表示電壓又表示電流。雖然電壓很容易由發(fā)電側控制，但電流很大程度上取決于消費者的使用情況。PQ 問(wèn)題的概念和影響相當廣泛，具體取決于終用戶(hù)。
過(guò)去幾年，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，其影響在全世界范圍內達到數十億美元。1所有這些研究都得出結論，電力質(zhì)量監測對許多行業(yè)的經(jīng)濟成果有直接影響。盡管很明顯 PQ 對商業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)生了多么嚴重的負面影響，但大規模、有效地對其進(jìn)行監控并不是一件容易的事。監測設施中的電能質(zhì)量需要在電力系統的多個(gè)點(diǎn)上長(cháng)期或無(wú)限期地安裝訓練有素的人員和昂貴的設備。
電能質(zhì)量監測應用
電能質(zhì)量監測通常被視為某些業(yè)務(wù)部門(mén)的成本節約策略，而對于其他業(yè)務(wù)部門(mén)則被視為關(guān)鍵活動(dòng)。電能質(zhì)量問(wèn)題可能出現在廣泛的電力基礎設施中，如圖 2 所示。正如我們稍后將討論的，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)和數據等業(yè)務(wù)領(lǐng)域變得越來(lái)越重要中心。
電力公司、輸電和配電
公用事業(yè)公司為消費者提供包括發(fā)電站在內的配電系統，這些發(fā)電站是通過(guò)輸電線(xiàn)路供電的變電站。通過(guò)這些傳輸線(xiàn)提供的電壓通過(guò)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。配電系統中的諧波電流會(huì )導致諧波畸變、功率因數低、附加損耗以及電氣設備過(guò)熱2，導致設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(xiàn)性單相負載使電流波形變形。非線(xiàn)性負載的不平衡會(huì )導致電力變壓器的額外損耗、額外的中性負載、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(shuō)明了這些線(xiàn)性負載的影響。
圖 2. 發(fā)電和消費的動(dòng)態(tài)可能導致整個(gè)電力基礎設施的電能質(zhì)量問(wèn)題。圖片由博多電力系統提供
風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏（PV）系統發(fā)電并入電網(wǎng)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)力間歇性會(huì )產(chǎn)生諧波和短時(shí)電壓變化。4由于通常使用高速開(kāi)關(guān)來(lái)提高所收集能量的效率，光伏太陽(yáng)能系統中的逆變器會(huì )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(dòng)汽車(chē)充電器
電動(dòng)汽車(chē)充電器可能面臨多種電能質(zhì)量挑戰，無(wú)論是輸入還是輸出電網(wǎng)的電力（見(jiàn)圖 4）。從配電公司的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)充電器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器可能會(huì )注入直流電 (DC)。此外，快速電動(dòng)汽車(chē)充電器會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)快速的電壓變化和電壓閃爍。從電動(dòng)汽車(chē)充電器方面來(lái)看，輸電或配電系統的故障會(huì )導致電壓驟降或充電器供電電壓中斷。電動(dòng)汽車(chē)充電器容差限制的電壓降低將導致欠壓保護激活并與電網(wǎng)斷開(kāi)（這會(huì )導致非常糟糕的用戶(hù)體驗）。
圖 3. 非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的電流諧波的影響。圖片由博多電力系統提供
根據電力研究所 (EPRI) 的，美國工業(yè)設施每年因電源變化和電壓干擾引起的電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失約為 1,190 億美元。6此外，根據歐洲銅業(yè)協(xié)會(huì ) (European Copper Institute) 的數據，由于不同的 PQ 問(wèn)題，25 個(gè)歐盟國家每年蒙受相當于 1600 億美元的財務(wù)損失。7這些數字與隨后的停機時(shí)間和生產(chǎn)損失以及相當于智力生產(chǎn)力損失有關(guān)。
圖 4. 電動(dòng)汽車(chē)充電器的電能質(zhì)量問(wèn)題。圖片由博多電力系統提供
電能質(zhì)量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、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(chǎng)裝置內的這些干擾，有必要在整個(gè)電力裝置的多個(gè)點(diǎn)安裝電能質(zhì)量監測設備，或者更好的是在負載級別安裝電能質(zhì)量監測設備。隨著(zhù)新工業(yè) 4.0 技術(shù)的到來(lái)，負載處的電能質(zhì)量監控可以通過(guò)工業(yè)面板表或子表來(lái)實(shí)現，以全面了解輸送到每個(gè)負載的電力質(zhì)量。
數據中心
目前，大多數商業(yè)活動(dòng)都以某種方式依賴(lài)于數據中心來(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的清潔、可靠、不間斷的電力供應。卓越的 PQ 監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(wèn)題而需要的設備維護或更換。將不間斷電源 (UPS) 系統集成到機架配電單元 (PDU) 中是在數據中心內的 IT 機架中添加 PQ 監控的另一個(gè)原因。這種集成可以提供電源插座級別的電源問(wèn)題的可見(jiàn)性。
根據艾默生網(wǎng)絡(luò )能源的一份，UPS 系統故障（包括 UPS 和電池）是導致數據中心意外停機的主要原因。10在所有的中斷中，大約有三分之一給公司造成了近 25 萬(wàn)美元的損失。11每個(gè)數據中心均使用 UPS 系統，以確保清潔且不間斷的電力。這些系統可以隔離并緩解公用事業(yè)方面的大部分電源問(wèn)題，但它們不能防止 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，除了設備引起的其他問(wèn)題外，還會(huì )引入諧波失真，例如導致具有變頻調速風(fēng)扇的高密度冷卻系統的問(wèn)題。除了這些問(wèn)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(dòng)、頻率變化以及設施接地不良等。
電能質(zhì)量標準的定義
電能質(zhì)量標準規定了電強度的可測量限制，即電強度與標稱(chēng)指定值的偏差程度。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 參數針對 50 Hz 和 60 Hz 的基頻聲明。該標準還為測量設備建立了兩個(gè)類(lèi)別：A 類(lèi)和 S 類(lèi)。
圖 5. IEC 電能質(zhì)量標準。圖片由博多電力系統提供
A 級定義了 PQ 參數測量的準確度和度，用于需要非常的測量來(lái)解決合同事務(wù)和爭議的儀器。它也適用于需要驗證標準符合性的設備。
S類(lèi)用于電能質(zhì)量評估、統計分析應用以及低不確定性電能質(zhì)量問(wèn)題的診斷。此類(lèi)儀器可以標準定義的參數的有限子集。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)、整個(gè)位置甚至單個(gè)設備上進(jìn)行。
值得注意的是，該標準定義了測量方法，建立了結果解釋指南，并規定了電能質(zhì)量計的性能。它沒(méi)有給出儀器本身設計的指南。
IEC 61000-4-30 標準定義了 A 類(lèi)和 S 類(lèi)測量設備的以下 PQ 參數。
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(guò)偏差
電源電壓上的主信號電壓
圖 6. 時(shí)間尺度內電能質(zhì)量參數的分類(lèi)。圖片由博多電力系統提供 [PDF]
表 1. IEC 61000-4-30 A 類(lèi)和 S 類(lèi)主要區別。
盡管 A 級定義了比 S 級更高的準確度和度級別，但差異不僅僅在于準確度級別。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一類(lèi)別或另一類(lèi)別應滿(mǎn)足的要求。
電能質(zhì)量總結
整個(gè)電力基礎設施都存在電能質(zhì)量問(wèn)題。擁有監控這些 PQ 問(wèn)題的設備有助于提高性能、服務(wù)質(zhì)量和設備使用壽命，同時(shí)減少經(jīng)濟損失。在第 2 部分“如何設計符合標準的電能質(zhì)量?jì)x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(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。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
意法半導體新雙向電流檢測放大器為工業(yè)和汽車(chē)應用帶來(lái)高檢測準確度和低物料成本
【做信號鏈，你需要了解的高速信號知識（一）】為什么要使用LVDS或JESD204B標準？
賦能汽車(chē)電動(dòng)化與智能化，AUTO TECH 2024 華南展專(zhuān)業(yè)觀(guān)眾預登記開(kāi)始啦！
