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功率技術/新能源  

探討智慧電網計量及合適的架構

上網時間: 2012年05月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧電網  計量  監控  轉換器  DSP 

作者:Petre Minciunescu

ADI公司

電網是一個由電廠、輸纜線路和用戶構成的網路。將來,人們預期用戶的能源消耗將大幅成長。原因在於,市場上外接充電式電動汽車的出現將大幅增加車主的日常能源消耗。

一輛搭載24kWh電池組並且每天都需要充電的汽車可能使一個家庭每月的耗電量增加一倍或兩倍。不難想像,為了提供這種能源增量,需要修建更多的電廠,輸纜線路的升級將變得更加困難。這正是智慧電網概念出現的原因:需要對輸纜線路進行更加智慧化的管理,以使能耗的諧波污染降至最低水準,使能源消耗在白天的分佈更加均衡,由此跟上能耗成長的步伐。

智慧電網的管理意味著對用戶層面以及輸纜線路的即時瞭解。從工程角度來看,這裡涉及到兩件事:其一,必須始終測量大量的電量;其二,公用事業公司必須定期與測量這些電量的儀器進行通訊。本文將探討需要監控哪些電量,以及用於測量的各種架構。

假設有一個交流供電系統,其電壓為v(t),消耗電流為i(t):

公式1


其中,Vk, Ik=各個諧波的均方根電壓和電流,φk,γk=各個諧波的相位延遲,ω=2πf,基波的角速度。

總有功功率。有功功率為瞬時功率相對於整數線路週期數的均值:

公式2


之所以稱為‘總’有功功率是因為,其中包含了所有諧波上的有功功率的貢獻。這是最後用戶向公共事業公司支付的那部份。

基波有功功率。這是基波的有功功率:

公式3


t為應在用戶與公共事業公司之間交換的唯一有功功率。該值可能為正,表示用戶使用或‘消耗’了電量,也可能為負,表示用戶往電網中輸送了電量。

諧波有功功率。這是一個諧波k的有功功率:

公式4


這類有功功率很重要,因為它會造成污染,不應存在於電網之中。正因如此,過去幾年中,將基波有功功率與諧波有功功率分開變得非常重要。諧波有功功率的符號可以顯示產生污染者以及消耗者。從智慧電網角度來看,發現產生諧波有功功率的罪魁禍首對消除污染源非常重要。

總、基波和諧波無功功率。無功功率是指電壓和電流訊號之一的所有諧波成分產生90°相移時產生的電壓和電流波形:

公式5


這是一種純粹的振盪功率,均值為0。與有功功率類似,無功功率分為總無功功率、基波無功功率和諧波無功功率三種。總無功功率的問題是其實際意義不大,長期以來都是飽受爭議的一個話題。因此,需要測量的一般都是基波無功功率和諧波無功功率。

電流和電壓均方根表示電流或電壓的平方的整數線路週期數的均值:

公式6


如果電壓和電流中的基波和諧波組分得以確定,則同時還需要基波和諧波的均方根值。

總、基波和諧波視在功率。

視在功率定義為均方根電流和均方根電壓的算術積,根據所用均方根值,結果可能是總視在功率、基波視在功率或諧波視在功率。

這些是需要測量的最重要的量。其他量有:功率係數、諧波失真、三相系統中的正、負和零序列功率。

用於測量這些量的儀器未必具有高階輸纜線路監控器的性能,多數情況下也不必如此。隨著要求的提出,隨著每一代新型半導體元件價格的下降,這些量的測量將滲透到整個電網。例如,很難想像有必要在住宅中用電錶計算諧波功率。

然而,從智慧電網的角度來看,鼓勵用戶在能耗量最低的夜晚給電動車充電,這是最有意義的。但在變電站層面完全有必要使用監控上述所有量的儀器。

對當地產業用戶進行監控,以證實諧波污染保持於最低水準,這是非常有意義的,因為很有可能是某個工序向電網中注入了諧波。從這一點往上進入電網層級體系,類似儀器的作用將變得明晰起來:對所有主要變電站和輸纜線路進行監控。接下來我們將討論運算上述各量的各種系統性方法。


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