【導讀】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(jiān)測的應用領域。本文將介紹IEC電能質(zhì)量標準及其參數(shù)。最后，本文總結了A類和S類電能質(zhì)量儀表的主要區(qū)別。后續(xù)文章將闡述關于"如何設計符合標準的電能質(zhì)量儀表"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)量重新受到關注。不同電壓水平的可再生能源實現(xiàn)了前所未有的增長，導致PQ相關的問題增多。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)中心及其相關設備，如供暖、通風和空調(diào)。在工業(yè)應用中，由變頻驅(qū)動器運行的電弧爐、開關變壓器等不僅會給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會導致電壓突降、突升、瞬時掉電和閃爍。
圖1.電能質(zhì)量問題
電力領域的電能質(zhì)量是指輸送給消費者的電壓質(zhì)量。關于幅度、相位和頻率的一系列規(guī)定決定了這種服務質(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1。所有這些研究的結論是，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)測設施中的PQ需要訓練有素的人員和昂貴的設備，這些設備長時間或無限期地安裝在電力系統(tǒng)的多個節(jié)點上。
電能質(zhì)量監(jiān)測應用領域
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)在各種電力基礎設施中。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)領域變得越來越重要。
圖2.發(fā)電和用電的動態(tài)變化可能導致各種電力基礎設施出現(xiàn)電能質(zhì)量問題
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，輸配電系統(tǒng)包括變電站，變電站經(jīng)由輸電線路供應電力。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致諧波失真、低功率因數(shù)、額外損耗以及電氣設備過熱2，進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性單相負載會使電流波形變形。非線性負載的不平衡會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顯示了此類非線性負載的影響。
風力和光伏(PV)太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生的電力注入電網(wǎng)后，也會導致一些電能質(zhì)量問題。在風力發(fā)電方面，風的間歇性會產(chǎn)生諧波和短期電壓變化4。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來提高能量手機的效率。
圖3.非線性負載產(chǎn)生的電流諧波的影響
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)換器設計不當?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）5。
圖4.電動汽車充電樁面臨的電能質(zhì)量問題
工廠
根據(jù)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引起的電能質(zhì)量問題而蒙受的損失約為1190億美元6。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問題而遭受相當于1600億美元的財務損失7。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。此類干擾會引起浪涌、突降、諧波失真、中斷、閃爍和信令電壓9。為了在工廠設施內(nèi)部檢測和記錄這些干擾，有必要在整個電氣設施中的多個節(jié)點上使用電能質(zhì)量監(jiān)測設備，或在負載級使用電能質(zhì)量監(jiān)測設備會更好。隨著新的工業(yè)4.0技術的到來，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。
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、云服務等。數(shù)據(jù)中心需要高水平、清潔、可靠、不間斷的電力供應。出色的PQ監(jiān)測有助于管理人員預防代價高昂的停電，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25萬美元的損失11。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。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設備本身的PSU產(chǎn)生的問題。IT設備PSU是非線性負載，此類負載可能引入諧波失真和其它由設備造成的問題，有些問題可能導致需要使用帶有變頻調(diào)速風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、設備接地不良。
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)性的設備。
● S類用于電能質(zhì)量評估、統(tǒng)計分析應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)絡上的多個站點、在全部位置、甚至在單臺設備上進行。
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，說明了解釋結果的指南，并規(guī)定了電能質(zhì)量儀表的性能。它沒有給出儀器本身的設計指南。
IEC 61000-4-30標準為A類和S類測量設備定義了如下PQ參數(shù)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(shù)在時間尺度上的分類
IEC 61000-4-30標準定義的A類和S類的主要區(qū)別
盡管A類定義了比S類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認證所應當滿足的要求。
表1.IEC 61000-4-30 A類和S類的主要區(qū)別
結語
電能質(zhì)量問題存在于整個電力基礎設施中。擁有監(jiān)測這些PQ問題的設備有助于改善性能、服務質(zhì)量和設備壽命，同時減少經(jīng)濟損失。在后續(xù)文章"如何設計符合標準的電能質(zhì)量儀表"中，我們將介紹一種集成解決方案和一個即用型平臺，它們能夠顯著加快開發(fā)速度并降低PQ監(jiān)測產(chǎn)品的開發(fā)成本。
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.
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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.
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