1. はじめに

電力特性 (PQ) 関連する問題は、今日最も懸念される. 電子機器の普及, このような情報技術機器など, このような可変速ドライブなどのパワーエレクトロニクス (ASD), プログラマブル·ロジック·コントローラ (PLC), エネルギー効率の良い照明, 電気負荷の自然の完全な変更をもたらした. これらの負荷は、同時に主要なcausersと電力品質問題の主な犠牲者である. それらの非直線性に起因する, これらのすべての負荷は、電圧波形の乱れを引き起こす.

技術進歩に伴い, 世界的な経済の組織がグローバル化に向けて進化してきましたし、多くの活動の利益率は低下する傾向にある. プロセスの大部分の感受性の増大 (インダストリアル, サービス、さらには住宅) PQの問題にすべての活動分野での競争力のための重要な要素品質の電力の可用性をオン. 最も重要な領域は、連続プロセス産業と情報技術サービスである. 外乱が発生した場合, 巨大な経済的損失が発生する可能性があります, 生産性と競争力の結果的損失.

多くの努力がユーティリティによって取られてきたが, 一部の消費者は、現代の電気のネットワークが提供するレベルよりも、PQの高いレベルが必要です. これは、いくつかの対策が電力品質の高いレベルを達成するために注意しなければならないことを意味.

2. 電力品質問題のタイプ

電力品質問題の最も一般的なタイプは、表に示されている.

3. 電力品質特性評価

も、最も先進的な送配電システムは、現代社会における負荷が正しく機能するために信頼性の所望のレベルに電気エネルギーを提供することができません. 現代のT&D (送配) システムがために突出している 99,9 へ 99,99% 可用性. この値は、ネットワークの冗長レベルの高度に依存する, 地理的位置と電圧レベルに応じて異なるものである (可用性は、HVネットワークで高くなっている). いくつかのリモートサイトにある, Tの可用性&Dシステムは、できるだけ低いことが 99%. でも、と 99,99% レベルの同等の中断時間がある 52 年間分.

現代のデジタル経済において最も要求の処理はして電気エネルギーを必要とする 99.9999999% 可用性 (9-ナインの信頼性) 正常に機能させるには.

間で 1992 と 1997, EPRIは外乱の平均期間を特徴づけるために、米国で研究を行った. 代表的なサイトの結果, 6年の期間は以下の通りである間、.

イチジク. 1 - の典型的な施設の継続時間によるPQ障害の典型的な分布 6 年 (1992-97) 米国では [2].

それは、図に見られるように. 1., 登録された障害の大多数 (約 87%) 未満続いた 1 第のみ 12 持っているよりも長い期間 1 分. それがすべてではないこれらの外乱は、機器の誤動作を引き起こすことは明らかである, しかし、敏感な機器の多くの種類が影響を受ける可能性があります.

EPRIの別の研究が行われた, 間で 1993 と 1999, 低電圧のPQを特徴付けるために (LV) 流通ネットワーク. この研究は結論づけ 92% PQにおける擾乱の振幅の電圧低下が最大に低下し、 50% そして、以下の期間 2 秒. イチジク. 2 下のたるみの典型的​​な分布を示している 0.5 秒およびマイクロ中断.

イチジク. 2 - 米国でのLVネットワークのたるみとマイクロ中断の配布 [3].

ヨーロッパの先進国の状況は、米国で認められたものと非常によく似ています. イチジク. 3 期間2002年2月、1月に供給を監視することによって、ポルトガルの中心の工業地帯におけるPQの特徴付けを示す 2003.

イチジク. 3 - ポルトガルの産業施設における電気エネルギー供給障害の特性評価.

4. 電力品質の問題のコスト

PQ問題のコストは、いくつかの要因の大きく依存している, 活動の主にビジネスエリア. その他の因子, 使用する機器の感度のような
設備や市況の, とりわけ, また、PQ問題のコストに影響を与える.

A. 電力品質コスト評価

PQ障害に関連する費用は、に分割することができます:

1. 直接費用. 乱れに直接起因することができ、コスト. これらの費用は、機器にダメージ, 製造ロス, 原料の消失, 非生産的な期間における給与費や再起動のコスト. 時々, 非生産的な期間内に、いくつかの節約が達成される, このようなエネルギーの節約など, コストに差し引かなければならない. いくつかの障害は、生産停止を意味するものではありません, しかし、関連するその他の費用を持っている可能性, このような機器の効率や機器の寿命の低下の減少として.
2. 間接コスト. これらの費用は、評価することが非常に困難です. 何らかの外乱および非生産的な期間に, 1当社は、いくつかの配達と緩い将来の注文の締め切りを達成できない可能性があります. 電力品質問題を防止するための投資は、間接的なコストと考えることができる.
3. 非物質不便. 電源障害に起因するいくつかの不都合は、お金では表現できない, このようなラジオやテレビに耳を傾けないように. これらの不都合を考慮するための唯一の方法は、消費者が、この不都合を回避するために支払って喜んでであることをお金の量を確立することである [4], [5].

B. 電力品質コストに推計

いくつかの研究は、消費者のためのPQ問題のコストを評価するためになされている. 正確な値の評価はほぼ不可能です。; ので、すべてのこれらの研究は推計に基づく. これらの研究のいくつかを以下に示す.

1. ビジネスウィーク (1991). PQコストが上の推定された 26,000 米国では年間100万ドル.
2. EPRI (1994). 本研究では指摘され 400,000 米国では、PQ費用は年間百万ドル.
3. 米国エネルギー省 (1995). PQコストが上の推定された 150,000 米国の年間100万ドル.
4. フォーチュン誌 (1998). PQ費用は約あったことを述べた 10,000 米国では年間100万ドル.
5. Eソース (2001). 連続プロセス産業からなる研究, 米国における金融サービスや食品加工, 上のPQ問題の平均年間コストを推定 60,000 へ 80,000 インストールにつきUSD.
6. EUにおけるPQ費 (2001). 商工業の全体的なPQの費用, 欧州連合, で推定されている 10,000 年間100万ユーロ [6].

様々な研究の推定値は、多くの異なる, しかし、一般的な要因へのすべてのポイント: PQコストは莫大である.

℃. 瞬断のコスト

中断は、施設に最も知覚できる影響がPQの問題です. 表IIは、瞬間的な中断の典型的なコストをまとめたもの (1 分) 消費者のさまざまな種類の. 提示されコストが中断に対処するためにライドスルー能力を達成するための技術の主要な投資なしである. これらの値は、個々の研究で出版さサービスとElectrotek概念の経験に基づいています [5].

表II - 瞬間的な中断の典型的なコスト (1 分, $ / kWの需要の, 産業とサービス設備の種類ごとに.

それが分かるように, 産業部門は、ほとんどの中断による影響を受けている, 特に連続プロセス産業. サービス部門, コミュニケーションと情報の処理が最も影響を受けた事業領域である.

中断のコストは、その持続時間の関数である. イチジク. 4 その持続時間に対する中断のコストを示している.

イチジク. 4 - 関数として中断のコストその期間 [5].

5. PQ問題の解決策

PQの問題の軽減がさまざまなレベルで行われてもよい: 送信, 流通、最終使用機器. 図に見られるように. 5, いくつかの措置がこれらのレベルで撮影することができます.

イチジク. 5 - デジタル電源のためのソリューション [7]

6. グリッドの充実

多くのPQの問題は、送信または配布グリッドに起源を持っている. こうして, 適切な送配グリッド, 十分な準備およびメンテナンスに, PQの問題の発生を最小限に抑えるために必須である.

7. 分散リソース - エネルギー貯蔵システム

分散型エネルギー資源の利用に関心 (THE) 高い信頼性を提供するため、その可能性の最後の数年間で大幅に増加している. これらのリソースは、分散型発電とエネルギー貯蔵システムが含まれる.

エネルギー貯蔵システム, また、技術を復元として知られている, 貧しいPQ環境でのライドスルー機能を備えた電気負荷を提供するために使用されている.

イチジク. 6 - 復元技術原理 [1].

パワーエレクトロニクスとストレージ技術における最近の技術的進歩は、PQの問題を緩和するためにプレミアム·ソリューションの復元技術1を回っている.

イチジク. 7 - エネルギー貯蔵システムの作動原理.

PQの分野で用いられる第1のエネルギー貯蔵技術, しかし、ほとんどの今日使用, 電気化学電池です. しかし新技術, このようなフライホイールなど, スーパーキャパシタと磁気エネルギー貯蔵超電導 (SMES) 多くの利点を提示, 電気化学電池はまだ彼らの低価格と成熟した技術による支配.

A. はずみ車

フライホイールは、電気機械装置カップル回転電機である (モータ/ジェネレータ) 短期間のためのエネルギーを保存するための回転質量を持つ. モータ/発電機は、フライホイール回転のローターを維持するために、グリッドによって供給される電力を引き込む. 電源障害時に, ロータに記憶された運動エネルギーは、DC発電機によって電気エネルギーに変換される, エネルギーがインバータ及び制御システムを介して一定の周波数及び電圧で送達される. イチジク. 8 フライホイールのスキームを示している, このシステムの主な利点は、説明されている場合、.

イチジク. 8 - フライホイール [HTTP://www.beaconpower.com]

伝統的なフライホイールローターは通常、鋼で構成されており、毎分千数回転のスピン量に制限されています (RPM). 炭素繊維材料と磁気軸受から構築アドバンスドフライホイールの速度で真空中にスピンアップすることができます 40,000 へ 60,000 RPM. 蓄積されたエネルギーは、慣性モーメント及び回転速度の二乗に比例する. 高速フライホイールは、従来のフライホイールよりもはるかに多くのエネルギーを保存することができます.

フライホイールは、ユーティリティ供給される電力の損失および商用電源の復帰やバックアップ電源システムの起動いずれかとの間の期間中に電力を提供します (すなわち, ディーゼル発電機). フライホイールは、一般的に提供する 1-100 ライドスルー時間を秒, およびバックアップの発電機は、内部にオンラインで入手することができます 5-20 秒.

B. スーパーキャパシタ

スーパーキャパシタ (またウルトラキャパシタとして知られている) 直流エネルギー源であり、静的なパワーコンディショナとの送電網にインターフェースされなければならない, グリッド周波数でのエネルギー出力を提供する. スーパーキャパシタは、短期間の中断や電圧低下時に電源を供給します.

Mサイズスーパーキャパシタ (1 MJoule) 小型電子機器にライドスルー機能を実装するために、市販されている, しかし、大規模なスーパーキャパシタは、まだ開発中です, しかしすぐにエネルギー貯蔵場の生存成分となることができる.

イチジク. 9 - 電気二重層スーパーキャパシタ [HTTP://www.esmacap.com]

プレート間の距離が非常に小さいため、容量が非常に大きい (数オングストローム), そしてため、導体表面の面積 (活性炭のインスタンスの) 流域 1500-2000 M²/G (16000-21500 FT²/G). こうして, このようなコンデンサによって蓄積されたエネルギーが到達することができる 50-60 J / G [8].

℃. SMES

磁界は超電導線材の閉鎖コイルにDC電流を循環させることにより作成される. コイルを流れる電流の経路は、ソリッドステートスイッチで開くことができ, オンオフ変調される. コイルの高インダクタンスによる, スイッチがオフのとき (オープン), 磁気コイルは、電流源として動作し、いくつかの電圧レベルに充電され、電力変換器に電流を強制的に. 固体スイッチの適切な調節は、インバータの適切な動作範囲内の電圧を保持することができる, AC電力にDC電圧を変換する.

イチジク. 10 - SMES装置 [9].

液体ヘリウムで冷却された低温の中小企業は、市販されている. 液体窒素で冷却された高温の中小企業は、開発段階にとどまっていると、その潜在的なコスト削減に将来的に実行可能な商業エネルギー貯蔵源となる可能性.

SMESシステムは、短い期間のために大規模で一般的に使用されている, そのようなユーティリティ切替イベントなど.

D. ストレージシステムの比較

イチジク. 11 特定の電力および特定のエネルギー的に異なる記憶技術の比較を示す.

イチジク. 11 - ストレージ技術のための具体的な電力に対する特定のエネルギー範囲 [9].

イチジク. 12 - エネルギー蓄積装置の具体的な費用 [10].

高速フライホイールは、中小企業とスーパーキャパシタと同じコストの範囲について約である 5 そのより複雑な設計や、限られた電力定格のために低速のフライホイールよりも倍高価. 電気化学電池は、成熟度の高いシンプルなデザインを持っている. の蓄積時間を以下 25 秒低速フライホイールは、バッテリーよりも費用効果的である.

8. 分散リソース - 分散型発電

分散型発電 (DG) 単位は、重要な負荷にクリーンな電力を供給するために使用することができる, グリッドの原点と乱れからそれらを分離する. DGユニットはまた、持続停止時に重要な負荷へのエネルギー供給を確保するために、バックアップ発電機として使用することができる. またDGユニットは、ピーク需要を減少させる〜すると決意している負荷管理のために使用することができる.

現在のところ, レシプロエンジンは、DGの市場で普及して技術です, しかし、技術の進歩と, 他の技術は、より魅力的になってきている, 例えば、マイクロタービンや燃料電池などの (表III).

表III - DGの技術の進化.

DGユニットは、バックアップ世代として使用される場合, 記憶部は、外乱の起源と非常用発電機の起動までの間に負荷にエネルギーを提供するために使用されなければならない.

最も一般的なソリューションは、電気化学電池のUPSとディーゼル発電機を組み合わせたものである. 現在のところ, 単一ユニットのフライホイール、ディーゼル発電機の統合により、一般的なソリューションになってきている, 多くのメーカーが提供する.

イチジク. 13 - 連続的な電力系統のスキーム, フライホイール、ディーゼル発電機を使用して [www.geindustrialsystems.com].

イチジク. 14 - ダイナミックUPS, ハイテック電源保護による, BV. [HTTP://www.hitec-ups.com].

9. 強化されたインターフェイスデバイス

エネルギー貯蔵システムとDG以外にも, PQの問題を解決するために使用することができるいくつかの他の装置.

適切なインタフェース装置を用い, 1グリッドから派生乱れから負荷を分離することができます.

A. ダイナミック電圧レストア

ダイナミック電圧育毛 (DVR) 負荷と直列に接続された電圧源のように機能. 最も一般的なデジタルビデオレコーダーの動作原理は、図1と同様である. 7. DVRの出力電圧は、出力供給トラフ電圧変換器に有効電力および無効電力を注入するために、昇圧変圧器および/または蓄積されたエネルギーを使用して、負荷端における電圧をほぼ一定に保たれる.

B. 過渡電圧サージサプレッサ (TVSS)

過渡電圧サージ抑制器は、電源と負荷の感受性との間のインターフェースとして使用されている, それが負荷に達する前の過渡電圧がTVSSによってクランプされるように. TVSSsは通常、非線形抵抗を持つコンポーネントが含まれている (金属酸化物バリスタやツェナーダイオード) それは、過度の線間電圧を制限し、地面に過剰な衝撃エネルギーを伝導.

℃. 定電圧トランス

定電圧トランス (CVT) 電圧低下と過渡電流の影響を緩和するために使用される第一のPQ溶液の1つであった. 電圧を一定に維持するために、, それらは、通常、回避される二つの原理を使用し: 共鳴とコアの飽和.

イチジク. 15 - 定電圧トランス.

共振が発生した場合, 現在は、トランスの磁気コアの飽和を起こす点まで増加します. 磁気コアが飽和した場合, 次いで、磁束は、ほぼ一定のままとなり、変圧器は、ほぼ一定の電圧出力を生成する.

正しく使用しない場合, CVTはどれが軽減よりも多くのPQ問題を発信します. これは、トランジェントを生成することができます, ハーモニックス (電圧波は、上部と側面にクリップされた) それは非効率的である (約 80% 全負荷時). そのアプリケーションは、他の分野での技術の進歩には珍しくなりつつある.

D. ノイズフィルタ

ノイズフィルタは、不要な高周波電流または電圧信号を回避するために使用される (ノイズ) 敏感な機器に到達する. これは、より高い周波数に基本周波数および高インピーダンスへの低インピーダンス経路を作成し、コン​​デンサおよびインダクタンスの組み合わせを使用することによって達成することができる, すなわち, 低域通過フィルタ. kHzの範囲の周波数を有するノイズがかなりある場合にそれらが使用されるべきである.

それ. アイソレーショントランス

絶縁変圧器は主電源から派生するトランジェントやノイズから敏感な負荷を分離するために使用されている. ある場合には (デルタ-Y接続) 絶縁変圧器は、変圧器の上流なってから負荷によって発生する高調波電流を維持.

絶縁変圧器の特殊性は、一次と二次の間に位置した非磁性箔からなる接地されたシールドである. プライマリとシールドとの間の静電容量を通って地面に上に送信して負荷に到達していないソースからのすべてのノイズや過渡.

イチジク. 16 - 絶縁変圧器.

F. 無効電力補償器

無効電力補償装置 (SVR) すぐに電圧を調整するコンデンサとリアクトルを組み合わせて使用​​する. ソリッドステートスイッチは、電圧が変動するのを防止するために、右の大きさにコンデンサやリアクトルの挿入を制御する. SVRの主な用途は、高電圧·大負荷に起因するちらつきの除去における電圧レギュレーションです (このような誘導炉など).

G. 高調波フィルタ

高調波フィルタは、望ましくない高調波を低減するために使用されている. これらは、2つのグループに分けることができる: 受動フィルタおよびアクティブフィルタ.

イチジク. 17 - 高調波フィルタ [11].

受動フィルタ (イチジク. 17 左) 受動部品を使用して弱毒化される倍音成分の周波数への低インピーダンス経路に存する (インダクタ, コンデンサと抵抗). 並列に接続された複数の受動フィルタは、いくつかの高調波成分を除去する必要があるかもしれない. システムが変化する場合 (高調波成分の変化), 受動フィルタは無効になり、共振を引き起こす可能性.

アクティブ·フィルタ (イチジク. 17 右) 負荷の消費電流を分析し、負荷によって発生する高調波電流をキャンセルする電流を作成する. アクティブ·フィルタは、過去に高価なものでした, しかし、彼らは現在、不明または変更する高調波のために費用対効果の補償になってきている.

10. コー​​ド及び基準を開発

いくつかの対策が、その機器が供給される電力が規格内である場合に、正常に動作しなければならないのユーティリティが消費者に提供しなければならない最低限のPQレベルおよびイミュニティレベルを調整するためにとられている.

この方向での一つの大きな一歩をCBEMAカーブで撮影した (イチジク 18), コンピュータ事務機器工業会が作成した. この規格は、電圧低下にコンピュータ機器の最小耐量を規定, マイクロ中断および過電圧.

イチジク. 18 - CBEMA曲線.

 

イチジク. 19 - ITICカーブ

この曲線, ITICで最近置換が (情報技術産業協議会) カーブ (イチジク. 19), まだPQの分野での参照です. 電圧が斜線区域により決定限度内にある場合, 機器が正常に機能しなければならない. 電圧が許可ゾーン下のゾーンで構成されている場合, 機器が誤作動または停止することがあります. 電圧は、上部禁止区域に含まれるとき, 機器の故障のほかに, 機器の損傷が発生する可能性があります.

他の標準化団体 (IEC, CENELEC, IEEE, 等) 同じ目的を持つ標準のセットを開発してきた. ヨーロッパで, PQで最も関連する規格は、ENです 50160 (CENELECにより、) およびIEC 61000.

表IV – 欧州規格で定義された最も重要なパラメータ 50160:2001.

11. 最終用途のデバイスはあまり敏感にする

外乱に対して感受性が低いことが機器の設計は、通常、PQ問題を防止するための最も費用対効果の尺度である. 最終使用機器のいくつかのメーカーは今、この問題を認識している, しかし、競争の激しい市場では、メーカーはコストを削減し、唯一の顧客の要求に応える必要があることを意味します. 例外は、ASDの市場です, メーカーは積極的に強化されたライドスルー機能を備えた製品を推進していますどこに.

電源装置への大容量のコンデンサを追加する, 大きな中性線のケーブルを使用して, ディレーティング変圧器や調整不足電圧リレー, PQ問題の機器の感度を低減するために製造業者が取ることができる措置がある.

12. 結論

高品質な電力の利用可能性は、現代社会の実行のために重要である. 一部のセクターは、ユーティリティによって供給される電力の質に満足している場合, いくつかの他より厳しいです.

PQの問題に関連する巨額の損失を回避するために、, 最も要求の厳しい消費者が問題を防ぐために行動を取る必要があります. 様々な対策の中, 感度が低い機器の選択が重要な役割を果たすことができる. も、最も堅牢な機器が影響を受ける場合, その後、その他の措置が取られなければならない, このような技術の復元の設置など, 分散型発電又はPQの問題を防止するために、インターフェイス装置.

参照

[1] J. 薄い, 「電気エネルギー分野の電源に総合的品質管理応用」, 博士号の学位のための要件の充足に提出論文. 国際電気工学, コインブラ, 9月 2002.

[2] “2秒問題”, アメリカの超伝導とEPRIリサーチ, 3月 1998.

[3] EPRI電源供給グループ, 」の電力供給の将来 21^セント センチュリー ", 1999.

[4] M. ボール, 「電源の品質の問題を理解する - 電圧サグや中断」, パワーエンジニアリングのIEEEプレスシリーズ - ジョン·ワイリー·アンド·サンズ, ピスカタウェイ, 米国 (2000).

[5] M. McGranaghan, 「中断コスト」, 電力品質の手続において 2002 会議, ローズモント, イリノイ州, PP 1-8, 10月 2002..

[6] D. チャップマン, 「悪い電力品質のコスト」, 電力品質アプリケーションガイド - 銅開発協会, 3月 2001.

[7] EPRI, 「デジタル社会のための電力インフラの作成」, UIE-2000会議, リスボン, 13, 11月 2000.

[8] HTTP://www.esma-cap.com

[9] P. ブルック, B. ジョンソン, M. カラス, A. Arsoy, と. リュー, 「高度な電源アプリケーション向けエネルギー貯蔵システム」, IEEE論文集, フライト 89, しない. 12, 12月 2001.

[10] H. Darrelmann, 「オルタナティブ短時間ストレージシステムの比較」, 戦利品, （株）, オステロード, ドイツ.

[11] P. Ferracci, 「電力品質」, カイエ·テクニックシュナイダーエレクトリックなし. 199, 9月 2000.

ソース: www.icrepq.com/pdfs/PL4.ALMEIDA.pdf