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对电力系统的电能质量问题和方案

R.K.Rojin
我学生,EEE称,玛丽亚工程与技术学院,Attoor。Tamilnadu、印度
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文摘

电能质量是一组电气边界,允许一件设备在其预期的方式没有重大损失的性能和寿命。所有电气设备容易失败当暴露于一个或多个电能质量问题。电气设备可能是一个电动马达,变压器,发电机,一台电脑,一台打印机,通信设备、家用电器。所有这些设备和其他不良反应电能质量问题根据问题的严重程度。本文回顾了电能质量问题,电能质量问题的影响在不同的设备和方法的修正。一些电能质量增强设备也上市。有必要工程师、技术人员和系统操作员熟悉电能质量问题。

关键字
电能质量、电压峰值、频率变化、电力凹陷,谐波,UPQC

介绍
电能质量(PQ)相关问题现在最关心的天。电子设备的广泛使用,如信息技术设备、电力电子等调速驱动器(ASD),可编程逻辑控制器(PLC)、节能照明等导致一个完整的电气负载性质的变化。同时这些负载主要引起者和电能质量的主要受害者问题[1]。由于其非线性,所有这些负载导致的电压波形干扰。随着技术的进步,全球经济的组织演变对全球化和许多活动的利润会减少。绝大多数的敏感性的增加过程(工业、服务甚至住宅)PQ问题是电力的可用性和质量竞争力的一个关键因素在每一个部门的活动。最重要的区域是连续过程工业和信息技术服务[2]。

电能质量
只是能量流和负载要求的电流在很大程度上是无法控制的。“电能质量”是一种方便很多;它是电压的质量,而不是权力或电流。这个术语是用来描述电力驱动电子负载和负载正常工作的能力。电子设备的性能直接关系到整个电能质量水平。电力行业由发电(交流电源),最终电力传输和配电的电表位于前提最终用户的电力。然后电力布线系统中移动终端用户,直到它到达负载。系统的复杂性将电能从生产到消费的重点结合天气变化,代,需求和其他因素提供了许多机会的质量供应受损[3]。

电能质量问题的影响
没有适当的权力,电子设备可能出现故障,不能过早或不操作。电力的方法有很多质量差和更多的这样的质量差的原因。一些最常见的电源问题及其可能影响敏感的设备:
1。电压激增/峰值
电压激增/峰值下降-上升的反面可能几乎瞬时(峰值)或发生在较长时间(上升)。电压浪涌发生时电压高于正常是110%或更多。最常见的原因是重型电气设备被关闭。在这种情况下,计算机系统和其他高科技设备会出现闪烁的灯光,设备关闭,错误或记忆丧失。可能的解决方案是电涌抑制器、电压调节器、不间断电源、功率调节器[4]。
2。电压下降
短期欠压称为“电压凹陷”或“电压跌落(IEC)”。电压凹陷(5、6)是减少电源电压大小,后跟一个电压恢复后很短的一段时间。供应系统的电压下降的主要原因是系统上的一个错误,即充分远程电电压中断不发生。其他来源是大型负载的起动,偶尔,供应大电感负载[6]。对消费者的影响可以从恼人的(非周期光闪烁)严重(跳闸的敏感负载和停滞的马达。
3所示。在电压下
过度网络加载,损失的一代,不正确设置变压器龙头和电压调节器故障,导致电压不足。负载功率因数不佳或普遍缺乏无功功率支持网络上也贡献。电压不足也可以间接导致重载问题设备需要增加电流维持功率输出(如电动机负载)[5]。
4所示。高电压峰值
高压峰值发生在有一个突然的6000伏电压的峰值。这些峰值通常附近闪电的结果,但也可能有其他原因。对脆弱的电子系统的影响可以包括数据丢失和烧电路板。可能的解决方案是使用电涌抑制器、稳压器、不间断电源、功率调节器[7]。
5。频率变化
频率变化涉及改变频率的正常稳定的公用事业50或60赫兹的频率,根据您的地理位置。这可能是由于不稳定操作的应急发电机或不稳定的电源频率。为敏感设备,结果可以是数据丢失,计划失败,设备锁定或完全关闭。可能的解决方案是使用电压调节器和权力调节剂[7]。
6。功率下垂
功率下垂是一种常见的电能质量问题。尽管短时间内(1 s 10 ms)活动期间减少RMS电压大小,小的减少系统电压会导致严重的后果。圣贤通常引起的系统故障,通常的结果打开负载高启动电流的需求。更多细节关于权力减少访问我们的简报档案。可能的解决方案是使用电压调节器,不间断电源,功率调节器[8]。
7所示。电气线路噪声
电气线路噪声的定义是射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)和计算机系统的电路造成不必要的影响。问题的来源包括汽车继电器、电机控制设备,广播传输,微波辐射,遥远的雷暴。RFI、EMI等频率问题可能导致设备锁定,和数据错误或损失。可能的解决方案是使用电压调节器,不间断电源,功率调节器[7]。
8。限电
灯火管制是一个稳定的低电压状态。灯火管制的一个例子是在夏季高峰用电需求,公用事业不能总是满足要求时,必须降低电压限制最大功率。当发生这种情况时,系统会出现故障,数据丢失和设备故障。可能的解决方案是使用电压调节器,不间断电源,功率调节器[9]。
9。停电
电源故障或停电问世至今条件,持续超过两个周期。这可能是由于脱扣断路器,配电故障或实用电源故障。停电会造成数据丢失或腐败和设备损坏。可能的解决方案是使用发电机[10]。
10。很短的中断
总电力供应中断持续时间从几毫秒到一两秒。主要是由于开幕式和自动自动接入网络的保护装置解除一个错误的部分。的主要故障原因是绝缘失败,闪电和绝缘子闪络。的后果这些中断保护装置跳闸,故障信息和数据处理设备[11]。
11。长时间中断
长时间的电力供应中断持续时间大于1到2秒。的主要故障原因是设备故障的电力系统网络,风暴和对象(树木、汽车、等)引人注目的线或两极,火,人为错误,糟糕的协调或失败的保护设备。这些中断的结果是停工的设备[1]。
12。电压膨胀
瞬时电压的增加,在电源频率,正常公差外,持续时间超过一个周期,通常不到几秒钟。的主要原因是重型负载的启动/停止,严重严重准尺寸电源,调节变压器(主要在非高峰时段)。后果是数据丢失,闪烁的灯光和屏幕,敏感设备的故障或损坏,如果电压值过高[11]。
13。谐波失真
假设非正弦电压或电流波形的形状。波形对应于不同的正弦波之和与不同的大小和相位,频率电力系统频率的倍数。主要原因是经典来源:电机磁化曲线的工作膝盖以上(磁饱和)、电弧炉、焊接机、整流器和直流电刷马达。现代来源:所有非线性负载,如电力电子设备包括自闭症、开关电源、数据处理设备、高效照明[11]。后果是发生共振的可能性增加,中性过载在三相系统中,过热的电缆和设备,电机的效率损失,与通信系统电磁干扰,和错误的措施使用平均阅读米时,讨厌跳闸的热保护。
14。电压波动
振荡电压值,振幅调制信号频率的0到30 Hz。原因是电弧炉,频繁的启动/停止电动机(例如电梯),振动载荷。后果最后果是常见的电压下。最明显的后果是照明和屏幕的闪烁,给人的印象不稳定的视觉感知[1]。
15。噪音
高频信号的叠加在电力系统频率的波形。主要原因是电磁干扰引起的电磁波,如微波炉,电视扩散和辐射由于焊接机、电弧炉和电子设备。接地不当可能也是一个原因。后果是干扰敏感的电子设备,通常不是破坏性的。它可能会导致数据丢失和数据处理错误[12]。
16。电压不平衡
在三相系统电压变化的三个电压大小或相角之间的差异是不平等的。原因是大型单相负载(感应炉、牵引负载),错误的分布的三个阶段的系统单相负载(这也可能是由于一个错误)。后果是不平衡系统意味着负序的存在对所有三相负载是有害的。受影响最严重的负载三相感应机[13]。

改善电能质量
1。接地和成键的完整性
以计算机为基础的工业系统的性能直接关系到设备接地和等电位连接的质量。如果没有正确配置接地和等电位连接,可怜的系统性能结果。接地是最重要之一,误解方面的电气系统。有必要区分的功能接地导体(中性)设备接地系统(安全地面)。安全接地保护的电气系统和设备的超大闪电造成的电压或意外接触高电压系统。雷竞技网页版它还可以防止静电荷积聚。地面安全系统建立了一个“问世”的参考点。安全的地面必须是一个低阻抗路径从设备接地电极的焊接点在服务入口。这允许故障电流足够高的清除系统中的电路开关管预防不安全条件。接地导体(中性)是一个连着载流导体接地系统。 Grounding this conductor limits the voltage potential inside the equipment in reference to grounded parts. Neutral and ground should only be bonded together at the service entrance or after a separately derived source. One of the most common errors in a system is bonding the neutral to ground in multiple locations. Whether intentional or unintentional, these ‘extra’ bonding points should be identified and eliminated. Proper grounding and bonding minimizes costly disturbances [13].
2。正确的连接
一个整体设备检查,以确保适当的连接在一个设施是至关重要的。整个电气系统应检查松散,缺失或不当连接在面板、容器和设备。美国国家电气规程第300条盖连接方法和应遵循以确保安全可靠运行。有许多类型的常用电路测试人员,可用于检查不当反极性、开放中立或浮动的理由。确保隔离板喂敏感电子负载沉重的电感负载,或其他电气噪声设备,如空气压缩机或制冷设备。还要检查中性和地面指挥,以确保他们之间不共享分支电路[13]。
3所示。电源干扰
电压波动和噪声是常见的功率扰动出现在任何直接影响电子设备的电子环境。这些干扰存在于许多形式包括瞬变,下垂,膨胀,在电压,电压下,谐波、中断、频率变化和高频噪音。谐波失真已经成为严重的问题,由于增加了电子设备的使用。这个电子设备吸引电流不是线性的电压波形。这个非线性电流会导致高中性线电流,过热的中性导体,过热的变压器、电压畸变和断路器跳闸。调速电动机负载如固态控制,电脑和开关电源的来源是非线性电流。信息技术产业理事会(国际信托投资公司)在2000年修订CBEMA曲线。这条曲线是用来定义电压操作信封内电子设备应运行可靠。设备应该能够容忍“无干扰”地区的电压扰动的图表。当电压扰动在“损伤”地区,设备不能正常运转,但应该恢复当电压恢复正常。 If voltages reach the “prohibited region,” connected equipment may be permanently damaged. Expensive equipment should be protected from voltages in the prohibited region. Processes which require high reliability should be protected from both the prohibited and no-damage regions [13].

电能质量解决方案
除了能源存储系统和DG,其他设备可以用来解决PQ的问题。使用适当的接口设备,可以隔离从电网扰动产生的负载。
答:电力空调设备
几种类型的力量增强设备已经开发多年来保护设备免受电源干扰。以下设备发挥着至关重要的作用在发展中一个有效的电能质量的策略。
1。瞬态电压浪涌电压抑制器(tvs)
它提供了最简单、最便宜的方式条件的权力。这些单位夹瞬态脉冲(峰值)的水平是安全的电子负载。使用整个设施保护策略将维护电气系统对大多数瞬变。多级保护需要使用电视服务入口,sub-panel时使用。这个设备的协调提供了最低允许通过电压的设备。瞬态电压浪涌电压抑制器作为接口和电源之间的敏感负载,以便瞬变电压由电视夹之前到达负载。TVSSs通常包含一个组件与一个非线性电阻(金属氧化物压敏电阻或齐纳二极管),限制过度线电压,进行任何多余的脉冲能量[14]。
2。过滤器
•噪音过滤器
噪音过滤器是用来避免不必要的频率电流或电压信号(噪声)达到敏感设备。这可以通过使用电容和电感,创建一个低阻抗路径的基本频率和高阻抗频率越高,也就是说,一个低通滤波器。他们应该使用当噪音kHz的频率范围是相当大的。
•谐波滤波器
谐波过滤器是用来减少不良的谐波。它们可以分为两组:被动过滤器过滤器和活跃。被动过滤器包含在一个低阻抗路径频率的谐波衰减使用被动元件(电感、电容和电阻)。几个被动过滤器并联连接可能需要消除多个谐波组件。如果系统变化(改变谐波组件),被动的过滤器可能成为无效并引起共鸣。有源滤波器分析当前消耗的负载和创建一个当前,取消负载产生的谐波电流。有源滤波器是昂贵的在过去,但是现在他们成为成本有效的未知或变化的谐波补偿[15]。
3所示。隔离变压器
隔离变压器是用来隔离敏感负载瞬变和噪声产生的电源。在某些情况下(Delta-Wye连接)隔离变压器防止谐波电流所产生的负载上游变压器。隔离变压器的特殊性是接地保护的非磁性金属箔之间的主要和次要的。任何噪音或瞬态来自源传播之间的电容主要和盾牌和地面,不达到负载。它提供了一定程度的隔离和过滤。这些设备进行有效降低电噪音通过物理分离的主要和次要磁隔离。隔离变压器降低正常和共模噪音,然而,他们不补偿电压波动和停电[16]。
4所示。电压调节器
电压调节器输出电压保持在额定电压下,除了最严重的输入电压的变化。稳压器通常安装在输入电压波动,但总损失的权力并不常见。有三种基本类型的监管机构:
•点击兑换:调整为不同设计的输入电压自动转移电力变压器的水龙头。利用变化的主要优势比其他电压调节技术效率高。其他优点是宽输入范围、高过载电流能力和良好的噪音隔离。缺点是噪声变化的水龙头时创建的,没有波形校正。
•巴克提振:利用类似的技术来水龙头兑换除变压器不是孤立的。优点是单位承受高在尖峰电流,高效率。缺点是噪声变化时创建的水龙头,可怜的噪音隔离和没有波形校正。
•恒压变压器(CVT):也称为铁磁共振变压器。CVT是一个完全静态监管机构几乎保持恒定的输出电压在较大的输入电压的变化。优势是优越的噪音隔离,非常精确的输出电压和电流过载保护的限制。缺乏运动部件是指变压器需要很少或根本没有维护。缺点是大尺寸、可听噪声和低效率。
恒压变压器(CVT)的第一个PQ解决方案用于减轻电压凹陷和瞬态的影响。保持电压不变,他们通常避免使用两个原则:共振和核心饱和度。发生共振时,电流会增加一个点,导致变压器的磁芯饱和。如果磁芯饱和,磁通将保持基本恒定,变压器将产生一个近似恒定电压输出。如果使用不当,CVT将产生更多的PQ问题的缓解。它可以产生瞬变、谐波(电压波剪顶部和侧面),它是低效的在满载(大约80%)。其应用变得罕见是因为技术的进步在其他领域[14]。
5。动态电压调节器
动态电压调节器(DVR)就像一个电压源与负载串联连接。大约的DVR输出电压保持恒定负载终端通过升压变压器的电压和/或储存能量注入有源和无功功率输出供应槽电压转换器[19]。
6。不间断电源(UPS)
UPS系统提供保护的一个完整的电力中断(中断)。他们应该被应用在“时间”所产生的任何损失的权力是不可接受的。UPS设计提供连续电力负载时短暂的中断。他们也提供不同程度的保护从激增,下垂,噪音和断电取决于所使用的技术[14]。有三个主要的UPS拓扑提供不同级别的保护:
•离线UPS(也称为备用)
小的低成本解决方案,更少的关键,独立的应用程序,如可编程序逻辑控制器,个人电脑和外设。离线UPS系统负载直接从电力供应有限的条件。单位向负载提供电力的电池在凹陷,膨胀和电力中断。他们通过一个过滤器拿来一些噪声抑制/电涌抑制器模块。离线UPS的优点是效率高、成本低和可靠性高。保护的主要缺点是高、低电压电池容量是有限的。其他缺点是输出电压差监管和明显的传输时间。保持较低的单位成本,大多数离线单位利用step-sine波输出在电池供电。
•行交互UPS
行交互UPS提供高效的后备电池+供电条件。这些单位是理想的电压波动频繁的地区。行交互模型的定义特征是它们可以调节输出电压而不消耗电池。优势是电压调节好,效率高。缺点是明显的传输时间和困难的比较竞争单位。输出波形可以是正弦波或step-sine波根据制造商和模型。
•真正的在线UPS
真正的在线UPS提供电源保护的最高水平,调节和电源的可用性。真正的在线技术,也被称为双转换的独特之处在于,权力从AC转换实用程序为电池充电,电力逆变器直流。然后转换回DC AC力量临界载荷。在线UPS的优势包括消除任何传输时间和更好的保护自己不受电压波动的影响。电压调节是通过不断再生一个干净的正弦波。缺点是低效率和高可听噪音。
7所示。电动发电机设置
发电机是机器,将机械能转换为电能。他们通常作为备份电源设备的关键系统,如电梯和应急照明,以防停电。然而,他们不提供保护对功利性权力问题,如电压和频率的波动,虽然大多数可以配备自动切换机制,电力供应中断切换之前完成,所以它不能防止停电的损失会导致昂贵的设备和机械。汽车发电机是由一个电动马达驱动发电机通过一个机械轴与联轴器。这个解决方案提供了完整的解耦等传入的干扰电压瞬变、激增和凹陷。电动发电机度过短期电力损失,但不能预防持续中断没有添加一个额外的电机由一个替代燃料来源(如柴油或丙烷)[14]。
8。静态无功补偿器(svc)
静态无功补偿器(SVR)结合使用电容和反应堆快速调节电压。固态开关控制电容器的插入和反应堆在正确的大小以防止电压波动。SVR的主要应用是高电压的电压调节和消除闪烁造成的大负载(如感应炉)。它通常是应用于输电网应对电压下降/激增在错误和提高电力传输能力[14]。
9。Thyristor-Based静态开关
静态转换开关是一个多才多艺的装置一个新元素到电路当电压支持是必要的。快速正确的电压峰值、凹陷或中断,静态开关可用于开关在下列之一:电容器、滤波器、备用电源线,能源存储系统。静态开关可用于备用电力线路的应用程序。这个计划需要两个独立的电线的效用。它防止85%的中断和电压凹陷[17]。
10。统一电能质量调节器(UPQC)
统一电能质量调节器(UPQC)是一个定制的电源设备,这降低配电系统电压和现行有关PQ问题。UPQC雇佣了两个电压源逆变器(vsi)连接到直流。储能电容器。UPQC,结合了一个分布的操作静态补偿器(DSTATCOM)和动态电压调节器(DVR)在一起。这种组合允许同时补偿负载电流和电压供应,以便补偿电流来自网络和交付给负载的补偿电源电压是正弦和平衡[17]。
b .能量存储系统
能量存储系统,也称为恢复技术,用于提供电动加载度过能力PQ环境欠佳。存储系统可以用来保护敏感的生产设备关闭引起的电压凹陷或短暂的中断。这些通常是直流的存储系统,如UPS、电池、超导磁储能(SMES)[18],存储电容器等。这些设备的输出提供给系统通过一个逆变器的基础上由一个快速电子开关。足够的能量是美联储系统替代能源,将失去电压暂降和中断。能量存储系统,也称为恢复技术,用于提供电动加载度过能力PQ环境欠佳。
1。飞轮
飞轮是一种机电设备,夫妇一个旋转电机(马达/发电机)在短时间内与一个旋转质量储存能量。电动机/发电机了电力电网提供的飞轮旋转的转子。电力扰动时,存储在转子的动能转换为直流发电机的电能,能源是在恒定频率和电压通过一个逆变器和控制系统。图8描绘了飞轮的方案,该系统的主要优势在哪里解释道。钢铁和有限的自转速度每分钟几千转(RPM)。先进的飞轮由碳纤维材料和磁轴承可以在真空旋转速度高达40000到60000 RPM。存储的能量正比于惯性矩和转速的平方。高速飞轮可以存储更多的能量比传统的飞轮。飞轮提供电力期间提供效用损失之间的权力和功利性权力的回归或后备电源系统(即的开始。柴油发电机)。飞轮通常提供1 - 100秒的度过时间,和备用发电机能够上网5 - 20秒内[18]。
2。超级电容器
超级电容器(也称为超级电容)必须界面上的直流能源和电网静态功耗护发素,在电网频率提供能量输出。超级电容器提供力量在短时间中断或电压凹陷。中型超级电容器(1 MJoule)实现度过商用能力在小型电子设备,但大型超级电容器仍在开发中,但是很快就会成为一个可行的组件的能量存储领域。电容是非常大的,因为板块之间的距离非常小(几个埃),由于导体表面的面积(例如活性炭)达到1500 - 2000 m2 / g(16000 - 21500年ft2 / g)。因此,能源存储这样的电容器可能达到50 - 60 J / g [19]。
3所示。超导磁储能(SMES)
磁场是由循环直流电流在一个封闭的超导线的线圈。线圈环状电流的路径与固态开关可以打开,这是调制。由于高电感的线圈,当开关(打开),电磁线圈的行为作为电流源和将迫使电流的电源转换器将电荷在一定电压水平。适当的调制的固态开关可以容纳电压逆变器的适当的操作范围内,将直流电压转换为交流电源。低温中小企业由液态氦冷却是商用。中小企业通过液态氮冷却高温仍在发展阶段,可能在未来成为一个可行的商业能源存储源代码由于其潜在的降低成本。中小企业系统是大型和一般在短时间内使用,如实用程序切换事件[18]。

结论
电力的可用性与高质量的现代社会的运行是至关重要的。如果某些行业的质量感到满意电力公用事业所提供的其他一些要求。避免巨大的损失与PQ问题,最苛刻的消费者必须采取行动防止问题。在各种措施中,选择不敏感设备可以发挥重要作用。时,即使是最健壮的设备的影响,必须采取其他措施,比如安装恢复技术,分布式发电或一个接口设备来防止PQ问题。

引用