【導讀】一些例子是電動汽車 (EV) 充電器，可能需要數百千瓦以及大量數據中心及其相關設備，例如供暖、通風和空調。在工業應用中，由變頻驅動器、開關變壓器等運行的電弧爐不僅會向電網添加大量不需要的諧波，還會造成電壓驟降、驟升、瞬態斷電和閃變。
當今電力基礎設施中電能質量測量的需求
一些例子是電動汽車 (EV) 充電器，可能需要數百千瓦以及大量數據中心及其相關設備，例如供暖、通風和空調。在工業應用中，由變頻驅動器、開關變壓器等運行的電弧爐不僅會向電網添加大量不需要的諧波，還會造成電壓驟降、驟升、瞬態斷電和閃變。
圖 1. 電能質量問題。圖片由博多電力系統提供
公用事業領域的電能質量是指輸送給消費者的電壓質量；一系列有關幅度、相位和頻率的規定規定決定了這種服務質量。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 問題的概念和影響相當廣泛，具體取決于終用戶。
過去幾年，人們對不良 PQ 的經濟影響進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，電力質量監測對許多行業的經濟成果有直接影響。盡管很明顯 PQ 對商業經濟產生了多么嚴重的負面影響，但大規模、有效地對其進行監控并不是一件容易的事。監測設施中的電能質量需要在電力系統的多個點上長期或無限期地安裝訓練有素的人員和昂貴的設備。
電能質量監測應用
電能質量監測通常被視為某些業務部門的成本節約策略，而對于其他業務部門則被視為關鍵活動。電能質量問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，電能質量監測在發電和配電、電動汽車充電、工廠和數據等業務領域變得越來越重要中心。
電力公司、輸電和配電
公用事業公司為消費者提供包括發電站在內的配電系統，這些發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。配電系統中的諧波電流會導致諧波畸變、功率因數低、附加損耗以及電氣設備過熱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性單相負載使電流波形變形。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 說明了這些線性負載的影響。
圖 2. 發電和消費的動態可能導致整個電力基礎設施的電能質量問題。圖片由博多電力系統提供
風能和太陽能光伏（PV）系統發電并入電網也會導致一些電能質量問題。在風力發電方面，風力間歇性會產生諧波和短時電壓變化。4由于通常使用高速開關來提高所收集能量的效率，光伏太陽能系統中的逆變器會產生噪聲，從而產生電壓瞬變、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量挑戰，無論是輸入還是輸出電網的電力（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換器會注入諧波和間諧波。電源轉換器設計不當的充電器可能會注入直流電 (DC)。此外，快速電動汽車充電器會給電網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，輸電或配電系統的故障會導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致欠壓保護激活并與電網斷開（這會導致非常糟糕的用戶體驗）。
圖 3. 非線性負載產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，美國工業設施每年因電源變化和電壓干擾引起的電能質量問題造成的損失約為 1,190 億美元。6此外，根據歐洲銅業協會 (European Copper Institute) 的數據，由于不同的 PQ 問題，25 個歐盟國家每年蒙受相當于 1600 億美元的財務損失。7這些數字與隨后的停機時間和生產損失以及相當于智力生產力損失有關。
圖 4. 電動汽車充電器的電能質量問題。圖片由博多電力系統提供
電能質量下降通常是由電弧爐和工業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、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的這些干擾，有必要在整個電力裝置的多個點安裝電能質量監測設備，或者更好的是在負載級別安裝電能質量監測設備。隨著新工業 4.0 技術的到來，負載處的電能質量監控可以通過工業面板表或子表來實現，以全面了解輸送到每個負載的電力質量。
數據中心
目前，大多數商業活動都以某種方式依賴于數據中心來提供電子郵件、數據存儲、云服務等。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高昂的停電，并幫助管理因電源裝置 (PSU) 問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。
根據艾默生網絡能源的一份，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 萬美元的損失。11每個數據中心均使用 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方面的大部分電源問題，但它們不能防止 IT 設備本身的 PSU 產生的問題。IT 設備 PSU 是非線性負載，除了設備引起的其他問題外，還會引入諧波失真，例如導致具有變頻調速風扇的高密度冷卻系統的問題。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、頻率變化以及設施接地不良等。
電能質量標準的定義
電能質量標準規定了電強度的可測量限制，即電強度與標稱指定值的偏差程度。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類別：A 類和 S 類。
圖 5. IEC 電能質量標準。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解決合同事務和爭議的儀器。它也適用于需要驗證標準符合性的設備。
S類用于電能質量評估、統計分析應用以及低不確定性電能質量問題的診斷。此類儀器可以標準定義的參數的有限子集。使用 S 類儀器進行的測量可以在網絡上的多個站點、整個位置甚至單個設備上進行。
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，并規定了電能質量計的性能。它沒有給出儀器本身設計的指南。
IEC 61000-4-30 標準定義了 A 類和 S 類測量設備的以下 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
欠偏差和過偏差
電源電壓上的主信號電壓
圖 6. 時間尺度內電能質量參數的分類。圖片由博多電力系統提供 [PDF]
表 1. IEC 61000-4-30 A 類和 S 類主要區別。
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。儀器必須符合時間同步、探頭質量、校準周期、溫度范圍等要求。表 1 列出了儀器要獲得某一類別或另一類別應滿足的要求。
電能質量總結
整個電力基礎設施都存在電能質量問題。擁有監控這些 PQ 問題的設備有助于提高性能、服務質量和設備使用壽命，同時減少經濟損失。在第 2 部分“如何設計符合標準的電能質量儀表”中，我們將介紹一個集成解決方案和一個即用型平臺，可以顯著加快開發速度并降低 PQ 監測產品的開發成本。
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