Kvalita elektrické energie - Electric power quality

Kvalita elektrické energie je míra, do jaké napětí, frekvence a průběh napájecího systému odpovídá stanoveným specifikacím. Dobrou kvalitu napájení lze definovat jako stálé napájecí napětí, které zůstává v předepsaném rozsahu, stálá střídavá frekvence v blízkosti jmenovité hodnoty a průběh křivky hladkého napětí (připomíná sinusovou vlnu). Obecně je užitečné považovat kvalitu energie za kompatibilitu mezi tím, co vychází z elektrické zásuvky, a zátěží, která je do ní zapojena . Tento termín se používá k popisu elektrické energie, která pohání elektrickou zátěž a schopnosti zátěže správně fungovat. Bez správného napájení může dojít k poruše elektrického zařízení (nebo zátěže), předčasnému selhání nebo k nefunkčnosti. Existuje mnoho způsobů, kterými může být elektrická energie nekvalitní, a mnoho dalších příčin takové nekvalitní energie.

Elektrické energie průmysl zahrnuje výrobu elektřiny ( střídavý proud ), přenos elektrické energie a nakonec i rozvod elektrické energie na elektroměru se nachází v prostorách koncového uživatele elektrické energie. Elektřina pak se pohybuje přes elektroinstalaci koncového uživatele, dokud nedosáhne zatížení. Složitost systému přesouvat elektrickou energii z místa výroby na místo spotřeby v kombinaci s výkyvy počasí, výroby, poptávky a dalších faktorů poskytují mnoho příležitostí ke kompromitaci kvality dodávek.

Zatímco „kvalita energie“ je pro mnohé příhodný termín, je to kvalita napětí - menší než výkon nebo elektrický proud -, která je ve skutečnosti tímto termínem popsána. Výkon je prostě tok energie a proud požadovaný zátěží je do značné míry nekontrolovatelný.

Úvod

Kvalitu elektrické energie lze popsat jako soubor hodnot parametrů, jako například:

• Nepřetržitost služby (Zda je elektrická energie vystavena poklesu napětí nebo překročení mezních hodnot pod nebo nad mezní úrovní, což způsobuje výpadky proudu nebo výpadky proudu)
• Kolísání velikosti napětí (viz níže)
• Přechodná napětí a proudy
• Harmonický obsah ve křivkách pro střídavé napájení

Často je užitečné považovat kvalitu energie za problém kompatibility : je zařízení připojené k síti kompatibilní s událostmi v síti a je energie dodávaná sítí, včetně událostí, kompatibilní se zařízením, které je připojeno? Problémy s kompatibilitou mají vždy alespoň dvě řešení: v tomto případě buď vyčistěte napájení, nebo zesilte vybavení.

Tolerance zařízení pro zpracování dat vůči změnám napětí je často charakterizována křivkou CBEMA , která udává trvání a velikost kolísání napětí, které lze tolerovat.

V ideálním případě je střídavé napětí dodáváno nástrojem jako sinusový s amplitudou a frekvencí danou národními normami (v případě sítě ) nebo specifikacemi systému (v případě napájecího zdroje, který není přímo připojen k síti) s impedancí nula ohmy na všech frekvencích .

Odchylky

Žádný skutečný zdroj energie není ideální a obecně se může lišit alespoň následujícími způsoby:

Napětí

• Změny špičkového nebo kořenového středního napětí (RMS) jsou důležité pro různé typy zařízení.
• Když napětí RMS překročí nominální napětí o 10 až 80% po dobu 0,5 cyklu až 1 minuty, událost se nazývá „bobtnání“.
• „Pokles“ (v britské angličtině) nebo „pokles“ (v americké angličtině jsou tyto dva termíny ekvivalentní) je opačná situace: efektivní napětí je pod nominálním napětím o 10 až 90% po 0,5 cyklu až 1 minutu.
• Náhodné nebo opakující se změny napětí RMS mezi 90 a 110% nominální hodnoty mohou způsobit jev známý jako „ blikání “ v osvětlovacím zařízení. Blikání je rychlé viditelné změny úrovně světla. Definice charakteristik kolísání napětí, které způsobují nežádoucí blikání světla, je předmětem probíhajícího výzkumu.
• Náhlé, velmi krátké zvýšení napětí, nazývané „ hroty “, „impulsy“ nebo „přepětí“, obvykle způsobené zapnutím velkých indukčních zátěží , nebo závažněji bleskem .
• „Podpětí“ nastane, když jmenovité napětí klesne pod 90% na více než 1 minutu. Termín „brownout“ je výstižný popis poklesů napětí někde mezi plným výkonem (jasná světla) a zatemněním (žádné napájení - žádné světlo). Přichází od nápadného k výraznému stmívání běžných žárovek, během poruch systému nebo přetížení atd., Kdy není k dispozici dostatečný výkon k dosažení plného jasu v (obvykle) domácím osvětlení. Tento termín je v běžném používání bez formální definice, ale běžně se používá k popisu snížení systémového napětí obsluhou nebo provozovatelem systému za účelem snížení poptávky nebo zvýšení provozních marží systému.
• „ Přepětí “ nastane, když nominální napětí stoupne nad 110% na více než 1 minutu.

Frekvence

• Variace ve frekvenci .
• Nenulová nízkofrekvenční impedance (když zátěž čerpá více energie, napětí klesá).
• Nenulová vysokofrekvenční impedance (když zátěž vyžaduje velké množství proudu, pak ji najednou přestane vyžadovat, dojde k poklesu nebo špičce napětí v důsledku indukčností v napájecím vedení).
• Změny tvaru vlny - obvykle jsou popisovány jako harmonické na nižších frekvencích (obvykle menší než 3 kHz) a popisovány jako zkreslení společného režimu nebo interharmonické na vyšších frekvencích.

Tvar vlny

• Oscilace napětí a proudu v ideálním případě sleduje formu sinusové nebo kosinové funkce, může se však měnit v důsledku nedokonalostí generátorů nebo zátěží.
• Generátory obvykle způsobují zkreslení napětí a zátěže způsobují zkreslení proudu. Tato zkreslení se objevují jako oscilace rychlejší než nominální frekvence a jsou označovány jako harmonické.
• Relativní příspěvek harmonických ke zkreslení ideálního průběhu se nazývá celkové harmonické zkreslení (THD).
• Nízký obsah harmonických ve tvaru vlny je ideální, protože harmonické mohou v transformátorech způsobovat vibrace, bzučení, zkreslení zařízení a ztráty a přehřívání.

Každý z těchto problémů s kvalitou energie má jinou příčinu. Některé problémy jsou důsledkem sdílené infrastruktury. Například chyba v síti může způsobit pokles, který ovlivní některé zákazníky; čím vyšší je úroveň poruchy, tím větší je počet postižených. Problém na webu jednoho zákazníka může způsobit přechodnost, která ovlivní všechny ostatní zákazníky ve stejném subsystému. Problémy, jako jsou harmonické, vznikají v rámci vlastní instalace zákazníka a mohou se rozšířit do sítě a ovlivnit další zákazníky. Harmonické problémy lze řešit kombinací správné konstrukční praxe a osvědčeného redukčního zařízení.

Napájení klimatizace

Úpravu energie upravuje výkon zlepšit jeho kvalitu.

V případě přechodného (dočasného) stavu na vedení lze použít zdroj nepřerušitelného napájení (UPS) . Levnější jednotky UPS však samy vytvářejí výkon nízké kvality, podobný tomu, který na sinusovou vlnu ukládá čtvercovou vlnu s vyšší frekvencí a nižší amplitudou . Vysoce kvalitní jednotky UPS využívají topologii s dvojitou konverzí, která rozděluje příchozí střídavé napětí na stejnosměrné, nabíjí baterie a poté znovu vyrábí střídavou sinusovou vlnu. Tato repasovaná sinusová vlna má vyšší kvalitu než původní napájecí zdroj střídavého proudu.

Pro kompenzaci poklesů napětí v sérii se používá dynamický regulátor napětí (DVR) a statický synchronní sériový kompenzátor (SSSC).

Přepěťová ochrana nebo jednoduché kondenzátor nebo varistor může chránit proti většině přepětí podmínek, zatímco bleskojistka chrání před těžkými hřeby.

Elektronické filtry mohou odstraňovat harmonické.

Chytré sítě a kvalita napájení

Moderní systémy používají senzory nazývané fázorové měřicí jednotky (PMU) distribuované po celé jejich síti ke sledování kvality energie a v některých případech na ně reagují automaticky. Použití takových inteligentních sítí funkcí rychlého snímání a automatizovaného automatického hojení anomálií v síti slibuje přinést výkon vyšší kvality a méně prostojů při současné podpoře napájení z přerušovaných zdrojů energie a distribuované výroby , což by v případě nekontrolovaného snížení kvality energie.

Kompresní algoritmus

Algoritmus komprese kvality elektrické energie je algoritmus použitý při analýze kvality elektrické energie. Abychom mohli poskytovat vysoce kvalitní služby elektrické energie, je nezbytné monitorovat kvalitu elektrických signálů, označovaných také jako kvalita energie (PQ), na různých místech elektrické sítě . Elektrické nástroje pečlivě monitorují průběhy a proudy na různých místech sítě, aby pochopily, co vede k jakýmkoli nepředvídaným událostem, jako je výpadek proudu a výpadky proudu . To je zvláště důležité v místech, kde je ohroženo životní prostředí a veřejná bezpečnost (instituce, jako jsou nemocnice, čistírny odpadních vod, doly atd.).

Výzvy

Inženýři mají k dispozici mnoho měřičů, které jsou schopné číst a zobrazovat průběhy elektrické energie a vypočítávat parametry průběhů. Tyto parametry mohou zahrnovat například proud a napětí RMS, fázový vztah mezi průběhy vícefázového signálu, účiník , frekvenci , celkové harmonické zkreslení (THD), činný výkon (kW), jalový výkon (kVAr), zdánlivý výkon (kVA) a aktivní energie (kWh), reaktivní energie (kVArh) a zdánlivá energie (kVAh) a mnoho dalších. Aby bylo možné dostatečně sledovat nepředvídané události, Ribeiro et al. vysvětluje, že nestačí pouze zobrazit tyto parametry, ale také neustále zaznamenávat data průběhu napětí. To je neproveditelné kvůli velkému množství příslušných dat, což způsobuje takzvaný „efekt láhve“. Například při vzorkovací rychlosti 32 vzorků za cyklus se odebere 1 920 vzorků za sekundu. U třífázových měřičů, které měří průběhy napětí i proudu, jsou data 6–8krát větší. Praktičtější řešení vyvinutá v posledních letech ukládají data pouze tehdy, když dojde k události (například když jsou detekovány vysoké úrovně harmonických napájecích systémů ) nebo alternativně k uložení efektivní hodnoty elektrických signálů. Tato data však nejsou vždy dostačující k určení přesné povahy problémů.

Komprese nezpracovaných dat

Nisenblat a kol. navrhuje myšlenku kompresního algoritmu kvality energie (podobný metodám ztrátové komprese ), který umožňuje měřičům nepřetržitě ukládat průběh jednoho nebo více výkonových signálů bez ohledu na to, zda byla či nebyla identifikována událost zájmu. Tento algoritmus označovaný jako PQZip zmocňuje procesor s pamětí, která je dostatečná k uložení průběhu vlny za normálních podmínek napájení po dlouhou dobu, alespoň měsíc, dva měsíce nebo dokonce rok. Komprese se provádí v reálném čase při získávání signálů; vypočítá rozhodnutí o kompresi před přijetím všech komprimovaných dat. Například pokud by jeden parametr zůstal konstantní a různé jiné kolísaly, rozhodnutí o kompresi zachová pouze to, co je relevantní z konstantních dat, a zachová všechna fluktuační data. Poté rozkládá průběh napájecího signálu mnoha složek v různých obdobích průběhu. Proces je zakončen komprimací hodnot alespoň některých z těchto složek v různých obdobích, samostatně. Tento algoritmus komprese v reálném čase, prováděný nezávisle na vzorkování, zabraňuje mezerám v datech a má typický kompresní poměr 1000: 1.

Agregovaná komprese dat

Typickou funkcí analyzátoru výkonu je generování archivu dat agregovaného za daný interval. Nejčastěji se používá 10minutový nebo 1minutový interval podle specifikací norem IEC/IEEE PQ. Během provozu takového nástroje jsou vytvářeny významné velikosti archivu. Jak Kraus a kol. prokázali kompresní poměr na těchto archivech pomocí řetězového algoritmu Lempel – Ziv – Markov , bzip nebo jiných podobných bezeztrátových kompresních algoritmů může být významný. Použitím predikce a modelování na uložených časových řadách ve skutečném archivu kvality energie se efektivita komprese následného zpracování obvykle dále zlepší. Tato kombinace zjednodušujících technik znamená úspory v procesech ukládání dat i získávání dat.

Standardy

Kvalita dodávané elektřiny je stanovena v mezinárodních normách a jejich místních derivátech, přijatých různými zeměmi:

EN50160 je evropská norma pro kvalitu energie, která stanoví přijatelné limity zkreslení pro různé parametry definující napětí ve střídavém proudu.

IEEE-519 je severoamerická směrnice pro energetické systémy. Je definován jako „doporučený postup“ a na rozdíl od EN50160 se tento pokyn týká zkreslení proudu a napětí.

IEC 61000-4-30 je standardní definující metoda pro monitorování kvality energie. Edice 3 (2015) obsahuje měření proudu, na rozdíl od dřívějších edic, které se týkaly samotného měření napětí.

Viz také

• Dynamické obnovení napětí

Reference

Literatura