【導(dǎo)讀】本文討論了電能質(zhì)量(PQ)測量在當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性，并回顧了PQ監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將介紹IEC電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及其參數(shù)。最后，本文總結(jié)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(guān)于"如何設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)的電能質(zhì)量儀表"的推薦解決方案。
當(dāng)今電力基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)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現(xiàn)了前所未有的增長，導(dǎo)致PQ相關(guān)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(fù)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(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)動器運行的電弧爐、開關(guān)變壓器等不僅會給電網(wǎng)增加許多不良諧波，而且會導(dǎo)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(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(guī)定決定了這種服務(wù)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(dāng)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(jié)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(fù)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(shè)施中的PQ需要訓(xùn)練有素的人員和昂貴的設(shè)備，這些設(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(guān)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(chǔ)設(shè)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(lǐng)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(dǎo)致各種電力基礎(chǔ)設(shè)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(wù)，輸配電系統(tǒng)包括變電站，變電站經(jīng)由輸電線路供應(yīng)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(dǎo)致諧波失真、低功率因數(shù)、額外損耗以及電氣設(shè)備過熱2，進而造成設(shè)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(fù)載會使電流波形變形。非線性負(fù)載的不平衡會導(dǎo)致電力變壓器的額外損耗、額外中性負(fù)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(fù)載的影響。
風(fēng)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(dǎo)致一些電能質(zhì)量問題。在風(fēng)力發(fā)電方面，風(fēng)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(guān)來提高能量手機的效率。
圖3.非線性負(fù)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(shè)計不當(dāng)?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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(dāng)于1600億美元的財務(wù)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(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(fù)載和負(fù)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(shè)施內(nèi)部檢測和記錄這些干擾，有必要在整個電氣設(shè)施中的多個節(jié)點上使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，或在負(fù)載級使用電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備會更好。隨著新的工業(yè)4.0技術(shù)的到來，負(fù)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(fù)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(wù)等。數(shù)據(jù)中心需要高水平、清潔、可靠、不間斷的電力供應(yīng)。出色的PQ監(jiān)測有助于管理人員預(yù)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(shè)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(yīng)。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(shè)備本身的PSU產(chǎn)生的問題。IT設(shè)備PSU是非線性負(fù)載，此類負(fù)載可能引入諧波失真和其它由設(shè)備造成的問題，有些問題可能導(dǎo)致需要使用帶有變頻調(diào)速風(fēng)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(shè)備接地不良。
電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)說明
電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電力幅度的可測量限值，即它們可以偏離標(biāo)稱額定值多遠(yuǎn)。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)是針對50 Hz和60 Hz的基頻聲明的。此標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了兩類測量設(shè)備：A類和S類。
● A類定義了PQ參數(shù)測量的最高準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的設(shè)備。
● S類用于電能質(zhì)量評估、統(tǒng)計分析應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)上的多個站點、在全部位置、甚至在單臺設(shè)備上進行。
圖5.IEC電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)定義了測量方法，說明了解釋結(jié)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(shè)計指南。
IEC 61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)為A類和S類測量設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)周期、溫度范圍等要求。表1列出了儀器要獲得某類認(rèn)證所應(yīng)當(dāng)滿足的要求。
表1.IEC 61000-4-30 A類和S類的主要區(qū)別
結(jié)語
電能質(zhì)量問題存在于整個電力基礎(chǔ)設(shè)施中。擁有監(jiān)測這些PQ問題的設(shè)備有助于改善性能、服務(wù)質(zhì)量和設(shè)備壽命，同時減少經(jīng)濟損失。在后續(xù)文章"如何設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)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
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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.
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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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