学術機関の配電システムの電力品質 — スルタン・カブース大学
| 施設 | スルタン・カブース大学 (SQU), オマーン — キャンパス全体の配電システム |
| 測定された電圧レベル | 33 kV/11kV主要変電所・ 11 kV/415 V 建物変電所 |
| 主要な測定ポイント | 工学部・情報システムセンター・2 33/11 kV主要変電所 |
| 特定された非線形負荷 | PVコンバータ・UPSシステム・可変速モーター付きチラー (VFDは) · コンピュータラボ · サーバールーム |
| THDI 範囲の測定 | 2% へ 10% 場所と積載量に応じて |
| TDD範囲の測定 | 2% へ 8% 負荷に応じて — IEEE 内 519 ほとんどのポイントで制限 |
| IEEE 519 電圧THD制限 | 5% PCCで (33 kV/11kVインターフェース) — 概ね準拠 |
| 今後の方向性 | SQU は大規模な PV 統合とスマートグリッドのアップグレードを計画 — PQ 評価により DER 前のベースラインを確立 |
01 文脈 — PQ の小宇宙としてのキャンパス
大学のキャンパスは、電力品質評価にとって最も複雑で有益な環境の 1 つです。. それらは組み合わされます, 単一の配信システム内で, 現代の建物に見られるほぼすべてのカテゴリーの非線形荷重: 何百ものスイッチモード電源を備えたコンピュータ実験室, 大規模な UPS システムと整流器負荷を備えたデータセンターとサーバー ルーム, 可変速ドライブと精密実験装置を備えた研究施設, VFD制御チラーを備えた空調システム, そしてますます, 系統接続インバータによる屋上太陽光発電.
オマーンのスルタン・カブース大学は、工学系の大学全体で数千人の学生と職員が利用する大規模で近代的なキャンパスです。, 科学, 薬, とコンピューティング — すべてが接続されています 33 kV/11kV/415V 3レベル分配システム. ザ 2024 SQU 研究者による調査では、このシステムの複数のポイントで包括的な PQ 監査が実施されました。, からの 33 建物の入口レベルまでの kV 取水変電所, 計画されている大規模な太陽光発電統合の前に、キャンパスの体系的な高調波ベースラインを確立する.
産業用 PQ 評価は通常、1 つまたは 2 つの主要な非線形負荷タイプ、つまりアーク炉に焦点を当てます。, VFDは, 整流器 — および 1 つまたは 2 つの測定点. キャンパスPQの特徴は、小規模なPQが多いことです。, 多くの建物に分散された多様な非線形荷重, 共有配信システムに接続されている. キャンパス変電所の高調波歪みの総和は、数百の個別のスイッチモード電源の統計結果です。, UPSシステム, VFDは, および PV インバータ — それぞれが独自の高調波スペクトルを持っています, それぞれのスイッチング周波数の位相関係に応じて、それぞれが他のものを部分的に打ち消すか強化します。. この統計的集計動作により、キャンパス PQ がより扱いやすくなります。 (単一の主要なソースがない) そして属性を特定するのはさらに困難です (多くの情報源, 複雑な相互作用).
02 キャンパスの非線形負荷の組み合わせ
この調査では、SQU での高調波歪みに寄与する非線形負荷の 4 つの主要なカテゴリが特定されました。:
- 太陽光発電インバータ — 両方の古典高調波を生成する系統接続インバーターを備えた屋上太陽光発電設備 (PWM変調から) 超高調波放射 (高周波スイッチングによる). PV 寄与は時間によって変化します。夜間にはゼロになり、正午の太陽放射量でピークに達します。, 時間とともに変化する高調波背景を作成し、1 日を通して高調波環境を変化させる
- UPSシステム — データセンターおよびサーバールーム用の大規模集中型UPSシステム, 個々の研究室向けの小型の分散型 UPS ユニット. UPS システムは、施設環境において最も多量の高調波発生源の 1 つであり、一般的なダブルコンバージョン UPS です。 50% 負荷は 25 ～ 35% の THDI で電流を消費します, 5次と7次高調波が支配的
- 可変速ドライブを備えたチラー — 中東の大学キャンパスでは空調システムが主要な電気負荷となっています, 屋外温度が定期的に 40°C を超える場所. VFD 制御チラーは、固定速度の同等のチラーと比較して大幅なエネルギー節約を実現しますが、5 次高調波電流が発生します。, 7番目の, 11番目の, およびチラーの動作電力に比例する 13 次
- コンピュータ実験室とサーバールーム — 何百ものデスクトップコンピュータ, モニター, とサーバー, 各スイッチモード電源を介して電流が流れ、主要な第 3 高調波が生成されます。 (トリプル) 電流. コンピュータ負荷からの三重高調波の集合体は、中性線負荷の主な要因です。 415 Vビル配信システム
03 分布階層全体にわたる測定結果
この研究では、SQU 配電システムの複数のポイントで高調波成分を測定しました。, からの 33 kVメインインテークを個別にダウン 415 V棟入口. この階層的な測定アプローチにより、高調波歪みが電圧レベル間でどのように変化するか、また変電所全体の歪みが個々の建物レベルの歪みにどのように関連しているかが明らかになります。.
| 測定場所 | 電圧レベル | THDI範囲 | TDD範囲 | IEEE 519 THDv 制限 | 準拠 |
|---|---|---|---|---|---|
| 主要変電所A & B | 33 kVの / 11 kVの | 2–5% | 2–5% | 5% THDv | 準拠 |
| 工学部変電所 | 11 kVの / 415 で | 4–8% | 3–6% | 8% THDv | 準拠 |
| 情報システムセンター | 11 kVの / 415 で | 5–10% | 4–8% | 8% THDv | ピークの境界線 |
| 個々の建物の入り口 (LV) | 415 で | 8–15% | 変化する | 8% THDv | 高負荷時を超える |
主要変電所のTHDI (2–5%) 個々の建物よりも大幅に低い (8–15%). これは変電所の電源がクリーンだからではなく、多くの異なる建物負荷からの高調波電流が共通母線で部分的に相殺されるためです。. UPS システムは、特定の位相角で主要な 5 次高調波を生成します. VFD チラーは、スイッチング パターンに応じて異なる位相角を持つ 5 次高調波を生成します。. コンピュータラボは第3高調波を生成します. これらすべての電流がコモンに戻ると、 11 kVバス, ベクトルの合計は算術合計よりも小さくなります。部分的なキャンセルにより、全体の歪みが軽減されます。. 変電所の測定は IEEE に正しく準拠しています 519 (PCC でユーティリティを使用して評価されます), しかし、この準拠は、個々の建物内の敏感な機器が経験する歪みについては何も語っていません.
04 THD 対. TDD — 区別が重要な理由
SQU 調査では総需要の歪みが正しく適用されました (TDD) 電流の全高調波歪みではなく (THDI) IEEEを評価する場合 519 コンプライアンス — キャンパスと商業ビルの PQ 評価でよく誤解される区別.
決定的な違い
THDI は、高調波電流の含有量を測定時の基本波電流のパーセンテージとして表します。. 軽負荷時 — 20% 定格負荷の UPS 30% 全負荷時のTHDIは描画される可能性があります 60% THDI は、高調波電流が比較的一定である一方で、基本波電流が減少するためです。. このため、THDI は可変負荷設備におけるコンプライアンス評価における誤解を招く指標となっています。.
TDD は、高調波電流の含有量を最大需要電流 (過去 15 分間に消費された最大平均電流) のパーセンテージとして表します。 12 月. UPS の図面 30% THDIで 20% ロードでは TDD のみが表示される場合があります 6% — IEEE の範囲内で 519 制限 — 高調波電流はシステムが設計された最大需要のほんの一部であるため.
キャンパス施設エンジニアが電力品質アナライザーのレポートを見たとき 35% UPS フィーダの THDI, 本能的な反応は “深刻な高調波の問題を抱えています。” 同じエンジニアが次を使用して TDD 計算を適用する場合 12 月ごとの最大需要データ, TDD は通常、IEEE の範囲内で 6 ～ 8% です。 519 限界. 高調波電流は実際のものであり、実際の加熱を引き起こします。, ただし、システムは最大需要電流を処理できるように設計されており、高調波成分はその設計電流のわずかな割合です。. THDI と TDD の違いを理解することで、不必要なアラームや、規格準拠に必要のないアクティブ高調波フィルタへの不必要な出費の両方を防ぐことができます。.
05 太陽光発電の統合 — ベースラインの確立
SQU PQ 監査の重要な目的の 1 つは、計画されている大規模な PV 統合の前に高調波ベースラインを確立することでした。これは、DER の導入前に実行されることはほとんどない賢明なエンジニアリング手法です。. 太陽光発電パネルを追加する前に、各測定点での既存の高調波環境を特徴付けることによって, この研究では、太陽光発電インバータの高調波寄与をネットワーク内にすでに存在するバックグラウンド歪みから分離できるようにする前後比較フレームワークを作成します。.
この DER 前のベースライン アプローチは、事後 PQ 評価における根本的な問題に対処します。: ベースラインなしで, 観察されたコンプライアンスの超過が、新しく設置された太陽光発電システムによって引き起こされたのか、それとも設置前からすでに存在していたのかを判断することは不可能です。. SQU 研究の体系的な多点測定アプローチ - からすべての電圧レベルをカバー 33 kVから 415 V — 将来の設置後の評価に必要なベースラインを正確に提供します.
大規模な太陽光発電を統合したグリーンスマートキャンパスに向けて移行するという SQU の計画は、中東の大学キャンパス電化のより広範な傾向と一致しています。. PQ 評価は、この移行のためのエンジニアリング基盤を提供し、配電システムのどの部分に追加の非線形負荷に対する高調波ヘッドルームがあるかを特定します。 (太陽光発電インバータ) そしてすでに限界に近づいている. 情報システムセンター, ピーク負荷ではすでにTDDの境界線を示している, 供給フィーダに大幅な PV 容量が追加される場合は、高調波管理が必要になります. メイン 33 kV変電所, TDD 2 ～ 5%, かなりのヘッドルームがある.
06 電力品質の観点
SQU のケーススタディが価値があるのは、PQ 問題の規模ではなく、キャンパスが IEEE にほぼ準拠しているためです。 519 — ただし、それが示す体系的な方法論については、. 公共施設インターフェースから個々の建物の入り口までのすべての電圧レベルをカバーする階層型 PQ 測定キャンペーン, 計画された大きな変更の前に、複雑な混合負荷環境に適用される (太陽光発電の統合), 教科書的な工学実習です. この形式で実行されることはほとんどないという事実が、より重要な観察です。.
集計効果の調査結果は、電力会社やキャンパス運営者が PQ コンプライアンスをどのように解釈するかに直接影響します。. に準拠したキャンパス 33 kV ユーティリティ インターフェイス — ここで IEEE 519 コンプライアンスが評価されます - 同時に、機器の問題を引き起こす大幅な高調波歪みを伴う個々の建物が存在する可能性があります, 変圧器と UPS の寿命を縮める, そして損失が増える. PCC でのコンプライアンスは、流通システム全体での許容性を意味するものではありません. 内部配布システムはキャンパス運営者の責任であり、SQU 方法論も同様です, 建物レベルの監視まで拡張, どの建物が積極的な高調波緩和を必要とし、どの建物が必要ないかを特定します。.
大規模な大学キャンパス - 独自のキャンパス 33 kVまたは 11 kV配電システム, 独自の変電所, そして彼ら自身の世代 — ミニユーティリティとして機能する. 公共配電システムに適用される PQ エンジニアリングの規律は、キャンパス配電システムにも同様に適用されます。: 内部 PCC での高調波制限, フィーダ両端の電圧調整, VFD の負荷が高い建物負荷の無効電力管理, そして現在は DER 統合計画中. ほとんどのキャンパス施設エンジニアは配電工学の経歴を持っていません. SQU の調査は、そのギャップを埋めると何が起こるかを体系的に示す一例です。, 標準参照, 個別の測定値の集合ではなく実用的なエンジニアリング ベースラインを提供するマルチポイント PQ 評価.
参照
- アル・バディ・A 他. “学術機関の配電システムにおける電力品質の調査と分析。” エネルギー, 17(16), 3998, 2024. DOI: 10.3390/en17163998. オープンアクセス CC BY 4.0.
- IEEE規格 519-2022. 電力システムにおける高調波制御に関する IEEE 規格. IEEE, ニューヨーク, NY, 2022.
- IEC 61000-3-2:2018. 高調波電流エミッションの制限 (機器の入力電流≤ 16 フェーズのA). IEC, ジュネーブ.
- IEC 61727:2004. 太陽光発電 (PV) システム — ユーティリティ インターフェイスの特性. IEC, ジュネーブ.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共電力網から供給される電力の電圧特性. CENELEC, ブリュッセル.
アル・バディ・A 他. “学術機関の配電システムにおける電力品質の調査と分析。” エネルギー (MDPI), フライト. 17, しない. 16, P. 3998, 8月 2024. DOI: 10.3390/en17163998. オープンアクセス CC BY 4.0 — スルタン・カブース大学, オマーン.
このケーススタディは、教育目的のために概要と解説の形で提示されています。. SVG 図と PQ パースペクティブ セクション (セクション 6) Denis Ruest によるオリジナルの IPQDF 編集コンテンツです, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。). IPQDF は元の研究の著者であることを主張していません.