電力品質 — 技術的な概要
電圧偏差, 波形歪み, 供給継続性: ユーティリティ工学の観点から説明される PQ 現象の全範囲.
01 電力品質とは何ですか?
言葉 電力特性 (PQ) です。, 厳密に言えば, 誤称. この学問分野が実際に説明しているのは、 電圧の質 荷物に配達される — 熱力学的意味でのパワーではない. 有効電力は単にエネルギー伝達率です; 負荷によって引き出される電流は主に負荷自体のインピーダンスによって決定されるため、電力会社による直接制御の範囲外となります。. 電圧, 対照的に, 供給システムが提供するものです, IEC および IEEE 規格が測定および規制する電圧です。. デュガンらのように. 注記, それは電圧の質です — 電力や電流ではなく — 電力品質という用語は実際にそれを表しています. [1]
実用的な定義は IEC から来ています 61000-4-30, これは、PQ を一連の測定可能な電圧パラメータとしてフレーム化します。 — 大きさ, 周波数, 波形形状, 三相対称 — 定義された測定点での指定された制限に対して評価されます. [2] IN 50160 補完的なアプローチを取る: 通常の動作条件下での顧客の電源端子の電圧を特徴づけ、それらの特性が維持されると予想される統計的限界を示します。. [3] どちらのフレームワークも、同じ基礎となるエンジニアリングの現実を反映しています。: 品質は仕様に基づいて定義されます, 抽象的なものではない.
理想的な電源は定格周波数における純粋な正弦波です。, すべての周波数でソースインピーダンスがゼロで、完全な三相対称性を備えています。. 実際には, これらの条件はどれも完全には満たされていません. 電力品質工学の分野は、この理想からの逸脱と、それが機器や産業プロセスに及ぼす影響を体系的に研究するものです。.
02 電力品質現象
PQ外乱は従来、その時間スケールによって分類されてきました。, それらのスペクトル内容, そしてそれが連続しているかどうか (定常状態) またはイベント駆動型. IEEE規格 1159 フレームワーク [4] そしてIEC 61000-2-5 電磁環境分類 [5] これらの軸に沿って現象を整理する. 以下のカードは、各現象を詳しく調べる前に方向性マップを示します。.
高調波
非線形負荷によって注入される基本波の整数倍. 過熱の原因, 共振, と計量エラー. THD と個々の高調波次数によって特徴付けられます。 h = 2, 3, 5, 7…
電圧低下 & うねり
短期的な削減 (たるみ) または増加します (うねり) 実効値電圧で. サグは、工業プロセスにとって最も頻繁に発生し、経済的に重要な PQ イベントです。.
ちらつき
電圧変動が繰り返されると、ランプの輝度が目に見えて変化します。. 短期重症度 P によって定量化されるセント そして長期PLT IEC に基づく指数 61000-4-15.
トランジェント & 衝動
雷によるサブサイクル電圧スパイク, スイッチング操作, またはコンデンサの通電. ピーク振幅は公称最高電圧の数倍に達する可能性があります.
電圧不平衡
三相電圧の大きさまたは角度の不一致. A 2% 逆相アンバランスにより発生する可能性がある 8% 誘導電動機の巻線温度がさらに上昇する.
周波数偏差
公称値からの逸脱 50 または 60 ヘルツ. 大規模な相互接続されたグリッドではまれです; 再生可能エネルギーの普及率が高く、慣性の低い島状マイクログリッドとの関連性が高まっています.
中断
完全な電圧喪失, 瞬間的なものとして分類される (<3 の), 一時的な (3 の–1 分), または持続的な (>1 分) IEEE規格による 1159. プロセスのシャットダウンや装置の再起動の問題を引き起こす.
超高調波
2の騒動–150 高スイッチング周波数パワーエレクトロニクスコンバーターによって放射される kHz 範囲. IEC TR に基づく新たな懸念事項 63227 およびCISPR規格.
以下のセクションでは、各カテゴリについて詳しく説明します。: 物理的な起源, 主要な基準値, 装置とプロセスに対する実際的な影響.
03 高調波
高調波歪みは、負荷が正弦波電源から非正弦波電流を引き出すたびに発生します。. フーリエの定理による, あらゆる周期波形を、システム周波数に整数倍を加えた周波数の基本成分に分解できます。 — ハーモニックス — 2Fにて, 3F, 4F, というように. [6] 三相システムの場合, 三重高調波 (3RD, 9番目の, 15番目の…) ゼロシーケンスで循環し、中性線で算術加算します。; 5番目と7番目がマイナスを支配します- それぞれ正相スペクトルと正相スペクトルがあり、ほとんどの産業ネットワークにおける主な懸念事項です。.
情報源
今日の配電ネットワークの主な供給源はパワーエレクトロニクスコンバータです: 可変周波数ドライブの 6 パルス整流器 (VFDは) および無停電電源装置, IT機器のスイッチモード電源, アーク炉, 電子安定器を備えた蛍光灯. 古典的な 6 パルス整流器は、6k 次の特徴的な電流高調波を引き出します。 ± 1 (5番目の, 7番目の, 11番目の, 13番目の…) 理想的な電流源負荷の場合、大きさは約 1/h に低下します。. [7] 次数間高調波 — 基本波の非整数倍 — サイクロコンバーターによって生成されます, 誘導加熱装置, カオス溶融段階中のアーク炉.
設備への影響
ネットワーク インピーダンスを流れる高調波電流は、接続されているすべての機器の電源電圧を歪ませる高調波電圧降下を生成します。. コンデンサバンクは高調波周波数で低いインピーダンスを示し、過負荷や故障に対して脆弱です; ラインインダクタンスと組み合わせると、特定の高調波を倍増する並列共振回路を形成できます。 10 共振周波数以上. 誘導モーターでは、高調波電流の 2 乗に比例して追加の鉄損と銅損が発生します。. 非線形負荷を供給する場合、変圧器の定格を下げる必要がある場合があります — Kファクター評価システム (ANSI/IEEE C57.110) この評価に定量的な根拠を提供します. [8] 電圧交差アルゴリズムを使用する電子電力量計は、歪んだ電圧条件下で重大な計量誤差を記録する可能性があります.
制限と基準
IEEE規格 519-2022 共通結合点で高調波電流制限を設定します (PCC) 短絡率 I の関数としてサウスカロライナ州/私はザ. 供給接続が弱い顧客 (低い比率) 高調波の注入により共有ネットワーク上で比例的に大きな電圧歪みが発生するため、より厳しい制限に直面しています。. [9] IN 50160 個々の電圧高調波を 5 に制限します–6% 低次コンポーネントを対象とし、全体的な THD を設定します。で の天井 8% 通常の動作条件下での LV 電源端子で. [3] IEC 61000-4-7 DFT ベースの測定方法を指定する規格, グループ化と集計ルールを含む, 同等の結果を得るために機器が実装する必要があるもの. [10]
04 電圧低下, うねり, と中断
電圧低下 (IEC: 電圧ディップ) rms 電圧の短期間の低下です。 10% と 90% 公称値の, 半サイクルから1分間続く. [4] 電圧低下は、製造業およびプロセス産業にとって経済的に最も重大な PQ 障害です. EPRI と CEIDS による調査では、電力品質障害による米国産業への年間コストは次のとおりです。 $119 と $188 十億, 電圧低下が最大の原因となる. [11]
電圧低下の原因
電圧低下の大部分は、配電網または送電網の短絡障害が原因で発生します。. 単一の線路地絡故障により、故障箇所に電気的に近いすべての母線の相電圧が低下します。 — 同じ変電所の隣接するフィーダから給電される顧客を含む. 特定の顧客から見た保持電圧は、障害位置と測定点の間のインピーダンス比によって異なります。: 顧客が強力なバスバーに電気的に近い (大短絡MVA) 接続されたフィーダの障害については、浅いサグを参照してください。. 大規模なモーターの始動と変圧器の通電もサグを引き起こします, ただし、通常は規模が小さく、期間も短い.
特性評価と装置の許容差
サグはその保持された電圧によって特徴付けられます (名目に対する割合として) とその期間. ITIC曲線 (以前はCBEMA), 情報技術産業評議会によって開発されました, および SEMI F47 規格は、機器の電圧許容範囲を定義します。: プロセスを中断することなく機器が耐えなければならない持続時間の関数としての最小保持電圧. [12] 三相サグはタイプによってさらに分類されます — ボーレン分類のタイプ A ～ タイプ G [13] — 故障が変圧器接続を介してどのように伝播するか、および測定点でどの位相が影響を受けるかによって異なります。. タイプAのサグ (3 つのフェーズすべてが均等に押し下げられる) 三相故障、またはデルタ巻線を通して見られる単相故障から生じる; 他の多くのタイプは 1 つまたは 2 つのフェーズにのみ影響します.
うねり
電圧スウェルとは、rms 電圧が短期間に上昇することです。 110% 公称値の. 高インピーダンスまたは非接地中性線を備えたシステムで単相故障が発生すると、故障していない相でうねりが発生します。, ここでは、障害のある位相の低下に、音の位相を上昇させる中立的な変位が伴います。. しっかりと接地されたシステムの場合, 単相故障時の相対地間電圧の上昇は零相ネットワークによって制限され、線中性点に接続された機器ではほとんど問題になりません。.
中断
電圧の完全な喪失は遮断として分類されます。. IEEE規格 1159 瞬時を区別する (<0.5 サイクル), 瞬間的な (0.5 サイクル 3 の), 一時的な (3 に 1 分), そして持続した (>1 分) 中断. 一時的な中断は通常、分配フィーダの自動再閉鎖操作によって発生します。; ほとんどの場合、アーク障害は最初の再投入で解消され、電源は 1 回以内に回復します。 0.5 へ 1.5 の. 継続的な中断には切り替え操作または乗務員の復旧が必要であり、電力会社の信頼性指数によって追跡されます。 (サイト, 安全, カイディ).
05 電圧変動およびフリッカ
電圧変動が激しい, 実効電圧の繰り返し変動 — 白熱灯の光束を変調するとき — として知られる知覚可能な生理学的刺激現象を引き起こす ちらつき. 人間の視覚系は、輝度の変化に対して最も敏感です。 8.8 ヘルツ; 正弦波電圧変動のみ 0.3% この周波数では、標準で知覚可能なちらつきを引き起こすのに十分です 60 実験室条件下での W 白熱灯. [14]
情報源
アーク炉は古典的な産業用フリッカー発生源です. 融解段階中, 電極の位置が変化すると、アークインピーダンスがランダムかつ急速に変動します。, 無効電流のバーストを引き出し、PCC で対応する電圧降下を発生させます。. アーク動作のランダムな性質は、結果として生じる電圧変動スペクトルが単一の周波数に集中するのではなく、広帯域であることを意味します。, 視覚系の敏感な周波数範囲を刺激するのに特に効果的です。. その他の原因としては、大型モーターの始動が挙げられます。, アーク溶接機, トルク要求が変動する圧延機, と — 分配フィーダ上 — タワーの影と乱流によりブレード通過周波数に周期的な変動が生じる固定速度風力タービン.
測定: Pセント とPLT
IECフリッカーメーター規格 (IEC 61000-4-15) ランプをモデル化する信号処理チェーンを定義します。–目–脳伝達機能を分析し、2 つの指標を提供します. [14] 短期ちらつき強度 Pセント 10 分間の観察枠で評価されます; 長期重症度 PLT 12 個の連続する P から派生しますセント 3次平均を使用した値, 2時間の評価を行う. IN 50160 P を設定しますセント ≤ 1.0 とPLT ≤ 0.8 供給端子での通常の制限として. [3] ＡＰセント の 1.0 の知覚閾値として定義されます。 50% 規格の基準条件下での観測者の数.
06 過渡現象とインパルス
過渡過電圧はサブサイクル電圧の外乱であり、その振幅が公称最高電圧を大幅に超える可能性があります。. 上で説明した定常状態および短時間の現象とは異なります。, 過渡現象は実効値によって特徴付けられません。: そのエネルギーはマイクロ秒から数ミリ秒の範囲に集中します。, それはピーク振幅と上昇率です (dV/dt) 機器のストレスと損傷の可能性を判断する. [4]
衝撃的な過渡現象 — 稲妻
直接または間接的な落雷は、直接付着または近くの落雷からの電磁誘導によって、配電線に衝撃エネルギーを結合します。. 断熱調整に使用される標準的な雷インパルス波形 — IECで定義されている 60060 として 1.2/50 µ電圧波形 — 典型的な雷誘発過渡現象のエンベロープを表します. 配電用避雷器 (金属酸化物バリスタタイプ) 機器の端子におけるピーク過渡電圧を避雷器の保護レベルに制限するために適用されます。, どれに 25 kV システムは通常 75 の範囲にあります–95 kVの, またはおよそ2–3 システムの最高電圧の倍.
振動過渡現象 — コンデンサ開閉
シャント コンデンサ バンクに通電すると、発振電圧過渡現象が生成され、その周波数はスイッチング ポイントのバンク キャパシタンスとテブナン インダクタンスによって設定されます。: Fオシレータ = 1 / (2π √LC). 分散システムでは、これは通常 300 の範囲に収まります。–1000 ヘルツ. バックツーバック切り替えシナリオの場合 — すでに同じバス上にある別の銀行で銀行に電力を供給する — 最初のピークに達することができます 2.0 ぷー. すでに充電されたコンデンサがゼロに近いインピーダンスの放電経路を提供するため、公称最高電圧の. [15] 大きな DC バス コンデンサを備えた可変速ドライブは特に影響を受けやすい, 振動トランジェントは、トランジェントが絶縁を損傷するほど短すぎる場合でも、ドライブの DC バス過電圧保護をトリガーし、迷惑なトリップを引き起こす可能性があるためです。.
07 電圧不平衡
理想的な三相システムでは、3 つの供給電圧フェーザの大きさは等しく、正確に 120 だけ離れています。°. 電圧不平衡は、この対称性からの逸脱を表します。. 標準的なエンジニアリング定義では、対称コンポーネントの方法が使用されます。: 逆相電圧 V2 正相電圧 V の百分率で表す1 電圧不平衡係数を与える (VUF). [2] 簡略化した近似 — フェーザの大きさのみが必要なため、現場で頻繁に使用されます。 — NEMA の定義です: 三相平均からの任意の相電圧の最大偏差, 平均で割る, パーセンテージとして表さ. 2 つの定義は、小さなアンバランスに対しては同様の数値結果を与えますが、位相角の非対称に対しては発散します。.
情報源
3 相にわたって不均一に分散された単相負荷は、LV および MV 配電ネットワークの不均衡の主な原因です: 農村部のフィーダーへの住宅負荷, 電気自動車の充電器, および単相アーク溶接機. 伝送システムについて, 単相変電所は長年にわたる逆相不平衡の原因となっている.
配信ネットワークには、あまり議論されていないいくつかの追加メカニズムが導入されています。. 転置されていない長い配電線は、相間に不等な相互インピーダンスを蓄積します。, ラインの長さに応じてアンバランスが大きくなる. 伝送線路は通常、設計により適切に転置されます。, ただし、転置されていない副送信および配信フィーダが一般的です. シャント コンデンサ バンクの 1 つの相のヒューズが切れると、残りの 2 つの相に過剰な無効補償が残る, 局所的な不均衡と共振リスクの両方を引き起こす. 世界の一部の地域では、単相ラテラルが三相幹線フィーダから出湯されています。, 不平衡は変電所母線では許容できるかもしれないが、単相負荷が集中する個々の線路区間では深刻になる. 同様に, フィーダに沿った 3 相間で均等に分配されていない単相配電変圧器は、場所や個々の顧客の負荷プロファイルによって異なる不均衡を引き起こします。.
回転機械への影響
負相電圧により、ローターと逆向きに回転する磁界が駆動されます。. ローターの基準座標系から, 負のシーケンスフィールドのスリップは次のとおりです。:
NEMA MG-1 は実際的な結果を表現します: A 2% 電圧不平衡により、約 8% 追加の巻線温度上昇. [16] IN 50160 負相の不平衡係数を次のように制限します。 2% 通常の動作条件下での LV 電源端子で; までの値 3% 一部の人口過密地域では許可されています. [3]
08 周波数偏差
システム周波数は、同期相互接続全体の総発電量と総負荷の間の瞬間的なバランスを反映します。. 大規模な相互接続システムの場合 — ヨーロッパ大陸 50 ヘルツ, 北米東部と西部の相互接続 60 ヘルツ — すべての同期発電機の回転慣性の合計により、周波数変動が大幅に制限されます。 1 通常の動作条件での Hz. IN 50160 これを数値化します: 周波数は範囲内に留まります 50 ± 1 Hz 99.5% 相互接続されたヨーロッパのネットワークで年間最優秀賞を受賞, そしてその中で 50 ± 4 常に Hz. [3]
設備への影響
同期モーターと誘導モーターは供給周波数に比例した速度で動作します; 周波数偏差が持続すると、閉ループ速度制御を使用しないプロセス機械では比例速度誤差が発生します。. A 1% 周波数の低下は、 1% 速度低下 — 精密加工に欠かせない, 製紙工場, またはウェブ張力が同期速度に依存するプロセス. 公称周波数を大幅に下回って動作する変圧器では、コア磁束密度が高くなります; コアがすでに飽和ニー近くで動作している場合, 周波数がわずかに低下しただけでも、磁化電流と無負荷損失が大幅に増加する可能性があります。. 周波数に敏感な保護リレー (81O/U要素) 正当なシステム周波数スイング中のトリップを避けるために、予想される通常の周波数範囲に調整する必要があります。.
インバータ主体の系統の周波数
コンバーターインターフェースによる発電のシェアが拡大 — 風力タービン, 太陽光発電所, とバッテリーストレージ — ネットワークの同期慣性を低減します。. 孤立したマイクログリッドまたは大規模グリッド上のシステム分離後, 周波数は毎秒数Hzの速度で変化する可能性があります (周波数の変化率, RoCoF) — 従来の慣性ベースの周波数応答よりもはるかに高速. これは、標準およびグリッド コード開発の活発な領域です。. IEEE規格 2030.8 マイクログリッドコントローラーのテストに対応; 新たな ENTSO-E 要件により、大型インバーターベースのプラントには、物理的慣性の損失を部分的に補う合成慣性を提供することが義務付けられています。. [17]
09 標準の展望
電力品質は、IEC の連動した一連の規格によって管理されます, IEEE, CENELEC, および国家機関. 主なフレームワークを以下にまとめます。. 現役のエンジニアは、少なくとも互換性レベルの違いを理解する必要があります。 (IEC 61000-2 シリーズ), 排出制限 (IEC 61000-3 シリーズ), 免疫要件 (IEC 61000-4 シリーズ), および電源電圧特性 (IN 50160).
| 標準 | 範囲 | 主な内容 |
|---|---|---|
| IEC 61000 シリーズ — 国際電気標準会議 | ||
| IEC 61000-2-2 | LV パブリック ネットワーク | 伝導性低周波障害に対する互換性レベル (ハーモニックス, ちらつき, アンバランス, 電圧ディップ) |
| IEC 61000-2-4 | 産業環境 | クラスの互換性レベル 2 とクラス 3 工業用地; 通常、パブリック ネットワークの制限よりも緩い |
| IEC 61000-3-2 | LV装備 ≤ 16 A/相 | 公共 LV ネットワークに接続された機器の高調波電流放出制限 |
| IEC 61000-3-3 | LV装備 ≤ 16 A/相 | 公衆LVネットワークに接続された機器の電圧変動およびフリッカー放射制限 |
| IEC 61000-4-7 | 測定 | 高調波および次高調波の測定方法: DFTウィンドウ, グループ化, 10/12-サイクルおよび 150/180 サイクル集約 |
| IEC 61000-4-15 | 測定 | フリッカーメーター仕様: ランプ–目–脳信号処理チェーン, Pセント とPLT 計算 |
| IEC 61000-4-30 | 測定 | PQの測定方法: クラスA (拘束力のある/契約上の) そしてクラスS (調査) 機器の要件, 集計間隔, フラグを立てる |
| CENELEC — 欧州電気標準化委員会 | ||
| IN 50160 | 電源電圧特性 | 通常の動作条件におけるヨーロッパの公衆ネットワーク上の LV および MV 顧客端末における電圧パラメータの統計的制限 |
| IEEE — 電気電子学会 | ||
| IEEE規格 519-2022 | 高調波 (北米) | 短絡率の関数としての PCC での高調波電流制限; 送配電時の電圧歪み制限 |
| IEEE規格 1159-2019 | 監視 | PQ 現象の分類と特徴付け; 推奨される監視方法 |
| IEEE規格 1250 | 機密性の高い機器 | 瞬間的な電圧障害に敏感な機器のサービスに関するガイド; 互換性評価方法 |
| カナダ国家規格 (CSAグループ) | ||
| CSA C235:19 | 供給電圧 — カナダ | AC システムの接続点における定常状態の電圧動作範囲は次のとおりです。 50 カナダのkV; 通常および極端な動作条件をカバーします. EN に相当するカナダの言語 50160; Hydro-Québec によって参照されました, ハイドロ オタワ, およびほとんどのカナダの電力会社のサービス条件. |
| CAN/CSA-C61000-2-2 | LV 互換性レベル — カナダ | カナダの養子縁組 (偏差あり) IECの 61000-2-2: 公共 LV ネットワーク上の低周波伝導妨害に対する互換性レベル. 高調波, ちらつき, アンバランス, カナダの配電システムに適用される電圧降下レベル. |
| CAN/CSA-C61000-3-7 | 変動荷重 — カナダ | カナダでの IEC の採用 61000-3-7: 変動する設備をMVに接続する場合のフリッカーおよび電圧変動放射制限の評価, HV, およびEHVシステム. カナダの電力会社がアーク炉と風力タービンの接続を評価するために使用. |
| CSA C22.3 いいえ. 9:20 | 分散リソース — カナダ | 分散型エネルギーリソースと配電システムの相互接続 50 kVの. PCC での PQ 要件を含む - 高調波, 電圧変動, インバーターベースおよび発電機ベースの DER 接続のちらつき制限. |
10 測定と監視
意味のある PQ 測定は、単に機器を接続してデータを収集するだけではありません. 測定場所, 楽器クラス, 調査期間, 集計方法論, 結果の統計的処理はすべて、データが有効な工学的結論を裏付けるかどうかを決定します。. IEC 61000-4-30 これらの選択のための信頼できるフレームワークを提供します. [2]
測定のポイント
結果は、機器が接続されている場所に大きく依存します. ザ 共通結合点 (PCC) — 他のユーザーがいる、または接続される可能性がある、顧客に最も近いパブリック ネットワーク内のポイント — 排出ガスおよびコンプライアンス評価の標準基準です。. 機器端末での測定, 産業用変圧器の二次母線に, UPS の下流または下流では、異なる結果が生成され、異なるエンジニアリング目的に役立ちます。: 機器のトラブルシューティングと公共事業のコンプライアンス評価とネットワークの特性評価. これらの測定点を混同すると、技術的な紛争や誤解されたレポートが頻繁に発生します。.
調査期間と統計
IN 50160 およびIEC 61000-4-30 ほとんどの電圧パラメータのコンプライアンス評価に 1 週間の連続測定を使用することを指定します, 95 パーセンタイル基準による: パラメータは指定された制限内にとどまる必要があります 95% 観測期間中の 10 分間の測定間隔のうち. 電圧低下や停電はこのパーセンタイル ルールの対象外です — これらは、UNIPEDE DISDIP 重大度クラスまたは SARFI インデックスを使用して、重大度別に分類されたイベント数として報告されます。. 1 週間の調査では、ネットワークの動作状況の代表的なサンプルが得られますが、季節的な影響が見逃される可能性があります。; 数週間または永続的な電力品質モニタリングは、重要な施設やネットワーク全体の特性評価プログラムに適しています。.
図: EN 50160 / IEC 61000-4-30 95パーセンタイル順守基準. 1 週間の連続測定で約 1008 10分間隔. パラメータ値は間隔ごとに計算され、ランク付けされます。. コンプライアンスでは、95 パーセンタイル値 (これを下回るしきい値) が必要です。 95% 間隔が減少します - 指定された制限を超えません. オレンジ色の尻尾 (5% 間隔の) 違反にならない限り、制限を超えることは許可されます.
楽器クラス
IEC 61000-4-30 2 つの主要な機器クラスを定義します. クラス A は最高の測定精度を指定し、結束用途に必要です: 契約遵守の検証, 規制当局への提出, 紛争解決に使用される技術専門家の測定結果. クラス S は、精度が多少低くても許容される統計調査機器に指定されます。. クラス A に準拠するには、各パラメータに対して定義された予算内で測定の不確実性が実証されていることが必要です, 国家標準にトレーサブルな校正, すべての集計とフラグ設定の要件を正しく実装する. [2] 単に「電力品質アナライザ」と呼ばれる機器” 明示的なクラス A 認証がなければ、これらの要件を満たしているとみなすことはできません.
11 緩和策の概要
PQ緩和はサプライチェーンの3つのポイントで適用可能: 騒動の根源にある (排出削減), ソースと被害者の間のネットワーク内 (減衰またはデカップリング), または敏感な負荷の場合 (免疫力向上). 最適な戦略は妨害の性質と場所によって異なります。, 各オプションの技術的な実現可能性, そして相対コスト — これは、設置規模やネットワークの特性によって大きく異なります。. 次の表にリストされている手法は、現在エンジニアや電力会社が利用できる最も実用的で現場で実証済みのソリューションを表しています。. それらは網羅的ではありません — 研究段階および高度にアプリケーション固有のアプローチは、この範囲を超えて存在します — ただし、実践者が実際のプロジェクトで遭遇し指定する可能性が最も高いソリューションをカバーしています。.
高調波の軽減
高調波緩和ソリューションは、キロワットあたり数ドルの単純なパッシブ インピーダンス要素から、桁違いに高価な完全適応型アクティブ システムまで多岐にわたります。. 正しい選択は、必要な THD 低減によって異なります, 負荷の安定性, ネットワークインピーダンス, そしてIEEEかどうか 519 またはEN 50160 コンプライアンスは PCC で証明する必要があります. 以下の表は、コストとパフォーマンスが向上する順に主な手法を示しています。.
| 技術 | 出力THD私は | 長所 | 短所 | に適しています | 料金 (米ドル$) |
|---|---|---|---|---|---|
| ACラインリアクトル (3–5%) | 35–40% | 非常に低コスト; 過渡保護; 駆動コンデンサの寿命を延ばします | 5回目/7回目限定の軽減; 負荷時の電圧降下 | シングルドライブ, 改造, 予算に制約のあるサイト | $10–25/kW |
| DCリンクチョーク | 32–35% | AC リアクトルよりもわずかに優れた 5/7th; 電圧降下なし; コンパクト | 内部ドライブの取り付けが必要です; ACリアクトルよりも過渡保護が少ない | 内部チョーク機能を備えたドライブ | $8–20/kW |
| ACリアクトル + DCチョーク併用 | ～28～32% | 低コストで最高のパッシブ結果を実現; 6% 合成インピーダンス; 過渡保護は保持される | 2 つのコンポーネント; わずかな追加の電圧降下 | フィルターコストをかけずに最高のパッシブパフォーマンスが必要なドライブを実現 | $15–35/kW |
| パッシブシャントフィルター (調整されたLC) | 70–85% | 大規模でも低コスト; PFも同時に改善; 有効成分なし | 固定チューニング; ネットワークが変化した場合の共振リスク; 工学の勉強が必要 | 植物レベル, 100 kW+, 安定した負荷混合 | $30–80/kVA フィルタリング済み |
| 12-パルス整流器 (単巻変圧器) | ~85% 対 6 パルス; THD 10 ～ 15% | 5番目と7番目をソースから削除します; 屈強; 共振リスクなし | 移相トランスが必要; 11残りは 1 番目と 13 番目; 供給アンバランスに敏感 | 新規設置, 75 kW+, 重要なプロセス | $50–120/kW |
| 18-パルス整流器 (単巻変圧器) | THD 5 ～ 8% | 5位から13位までを排除; 正弦波に近い入力電流 | 変圧器の大型化; より高いコスト; 12 パルスよりも電圧アンバランスの影響を受けやすい | 大型ドライブ, IEEE 519 PCC でのコンプライアンスが必要 | $80–160/kW |
| ハイブリッドフィルター (パッシブ + アクティブ) | THD < 5% | 純粋なAHFよりも低コスト; パッシブは下位を処理します, アクティブは高次とダイナミクスを処理します | 保守する必要がある 2 つのシステム; エンジニアリングの複雑さ; 相互作用のリスク | ハイパワー産業用, 500 kW+, MVアプリケーション | $80–180/kVA |
| アクティブ高調波フィルター (AHF) | THD < 5% | 完全に適応性のある; 共振リスクなし; 1 つのユニットが共有バス上で複数の負荷に対応します; PF補正併用 | 高い資本コスト; 継続的な損失 ~1 ～ 2%; メンテナンス; 非常に高い出力ではコスト効率が低下する | 混合負荷バス, 負荷の変化, PF補正も必要な場合 | $150–300/kVA |
| アクティブなフロントエンド (AFE) ドライブ | THD < 3% | ほぼ正弦波; 再生的な (4-象限); ユニティPF; クラス最高の歪み | プレミアムコスト; 複雑な; きれいな状態が必要です, 安定した供給電圧 | 高出力ドライブ, 再生アプリケーション (クレーン, エレベーター, テストベンチ) | $200–400/kW |
| K定格変圧器 | 変圧器のみを保護します - ネットワークの歪みは軽減しません | シンプルな; 既存の資産を保護する; 有効成分なし; ドロップイン交換 | ネットワークへの高調波注入を軽減しません; 熱緩和策のみ | 高調波負荷を変更できない既存の変圧器保護 | $20標準よりも –60/kVA プレミアム |
| ジグザグ変圧器 | トリプルキャンセル (ゼロシーケンス) ニュートラルの高調波 | 3位敗退, 9番目の, 15ニュートラルから 番目; 単純; 有効成分なし | ゼロ系列高調波のみに対応; 5番目は減らない, 7番目の; 中性接地点を追加します | 単相スイッチング負荷が大きい三相システム (IT, 照明) | $25–70/kVA |
電圧低下の軽減
電圧低下の緩和はネットワークレベルで適用可能 (すべてのお客様のたるみの頻度と深さを軽減します) または個々の負荷レベルで (特定の敏感なプロセスのライドスルー). ネットワークレベルの対策は多くの顧客に利益をもたらしますが、同じバス上の障害によって引き起こされるサグを排除することはできません。; 負荷レベルの測定はより的を絞ったものですが、設置ごとにサイズを設定し、維持する必要があります.
| 技術 | 深さ / 適用期間 | 長所 | 短所 | に適しています | 料金 (米ドル$) |
|---|---|---|---|---|---|
| ライドスルーの改善 (コントロール) | 浅いサグ, <0.5 の | 最小限のコスト; 電力レベルにハードウェアがありません; すぐに | 深さと持続時間が限られている; 負荷固有のエンジニアリングが必要 | モーターコンタクター, ドライブ制御電源, PLCの, リレーコイル | $1–10/kW (コントロールのみ) |
| フェロレゾナント (CVT) 変換 | ~50% の電圧保持; 継続的な規制 | シンプルな; パワーエレクトロニクスなし; 継続的な電圧調整; 長寿命 | 高い連続損失; 完全に保護するには特大サイズにする必要があります; 単相 <15 kVAのみ | 小型単相敏感負荷: コントロール, PLCの, 医療器具 | $20–80/kVA |
| 静的転送スイッチ (STS) | 代替フィーダの品質に依存する | 高速転送 (<1/4サイクル); 損失が少ない; バス上のすべての荷物に恩恵をもたらします | 健全な代替フィーダーが必要です - 両方のフィーダーが同時に垂れ下がっても効果はありません | 工業団地, キャンパス, デュアルユーティリティフィードを備えたデータセンター | $100–250/kVA |
| ダイナミック電圧レストア (DVR) | 保持電圧は約 25 ～ 50% まで低下; 秒 | 素早い応答 (1–2サイクル); 通常動作での損失が少ない; サグのみの UPS と比較して費用対効果が高い | 完全な中断を処理できない; 限られたエネルギー貯蔵; たるみの深さと持続時間は保管によって制限される | 半導体工場, 食品加工, 製紙工場, 連続プロセス産業 | $150–350/kVA |
| スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵 (電力変換器付き) | 任意の深さ; 1–10秒 | 素早い応答; 非常に長いサイクル寿命; バッテリーの劣化がない; 短いサグをきれいにブリッジします | 限られたエネルギー密度; スーパーキャパシタのバンク サイズによって期間が制限される; 貯蔵されたkWhあたりのコストが高い | ショートサグ用のブリッジパワー; DVR または UPS とのハイブリッドで持続時間を延長 | $300–600/kW 貯蔵 |
| モータージェネレーターセット + フライホイール | ~80% の電圧を保持; 10–30秒のライドスルー | 屈強; 長寿命; 電池がありません; 完全な電気絶縁; 固有慣性 | 重い; 大きな設置面積; 継続的な回転損失; 旅行後のスロースタート | 公益事業, 水処理, 石油化学, 防衛 | $200–400/kVA |
| UPS (ダブルコンバージョン) | 100% 深さ; バッテリーに応じて数分から数時間 | 持続的な中断を含む完全な保護; クリーンな絶縁出力; 重要な負荷に対する業界標準 | 5-10% の連続損失; バッテリーのメンテナンスと交換; バッテリーを延長しないと持続時間が制限される | データセンター, 医学, 電気通信, 重要なプロセス制御 | $200–500/kVA |
| フィーダーの自動化 / 素早いセクショナライズ | 中断時間を短縮します; サグの深さは減りません | すべての顧客に対するネットワークレベルのメリット; 顧客側のハードウェアがない | 初期のたるみを防ぐことはできません; 公益事業への資本投資; 導入リードタイムが長い | 公共事業配電ネットワーク, 田舎のフィーダー, 信頼性向上プログラム | 公共事業の設備投資 - 変動あり |
ちらつきの軽減
フリッカー軽減は、コストゼロの運用変更から大規模なパワーエレクトロニクスの設置まで多岐にわたります. 適切な解決策はソースの種類によって異なります, 負荷変動の繰り返し率, 必要なPセント 削減, 高調波補償も同時に必要かどうか.
| 技術 | Pセント 削減 | 長所 | 短所 | に適しています | 料金 (米ドル$) |
|---|---|---|---|---|---|
| ロードスケジューリング / オフピーク動作 | シフトPLT 重荷 | 資本コストゼロ; すぐに; ハードウェアなし | プロセスの柔軟性が必要; P のコンプライアンス ソリューションではないセント 境界 | 共用工業団地のアーク炉と大型溶接機 | $0 — 運用可能 |
| グリッド/メッシュ溶接機 - 電流の削減, アーク時間の延長 | 15–25% | 資本コストゼロ; すぐに; ハードウェアなし; 限界生産性への影響 | 限定Pセント 削減; 深刻なちらつき源には効果がありません | 小径ロッドを使用した抵抗グリッド溶接機 | $0 — 運用可能 |
| グリッド/メッシュ溶接機 - 連続溶接 | ~50% (~2 の係数) | 資本コストゼロでフリッカーを大幅に低減. N 個のロッドのグリッドが 2 つの連続パスで溶接されます (e.g. 7 それから 8 の 15) — ショットごとの反応需要が半分になります, 電圧インパルスの大きさを半分にする | 影響を受ける実行ではスループットが 15 ～ 20% 低下します; プロセスの再プログラミングが必要. 大口径ロッドだからこそ必要な、フリッカーを起こさない軽量化をそのまま実現 | 個々の溶接電流が大きなちらつきを引き起こす大径ロッドを使用した抵抗グリッド溶接機 | $0 — 運用可能 |
| 電極制御の改善 (EAF) | 20–40% | 外部ハードウェアを使用せずにソースでの反応性変動を低減します; 最新のデジタルコントローラーも利用可能 | プロセス依存; 限られた範囲; アーク炉サプライヤーの関与が必要です | 電気炉近代化プロジェクト | 炉制御に含まれる |
| 配電フィーダの直列コンデンサ | 60–80% | 受け身; 有効成分なし; 低コスト; 永久給付金; 変動する負荷によって見られる電源インピーダンスを低減します | 遅延負荷のある長いフィーダにのみ有効です; 詳細な設計検討が必要; 保護の調整が必要 | 負荷が変動する田舎のフィーダ (綿繰り機, 井戸, 製材所) | $15-40/左 |
| パッシブシャントフィルター / PCC の固定コンデンサ | 部分的 — 負荷に依存します | 高調波と無効電力の同時利益; 低コスト; 有効成分なし | 固定報酬; ネットワークインピーダンスと相互作用する可能性がある; 限られた動的応答 | すでに固定コンデンサバンクを装備している EAF または溶接機 | $20–50/左 |
| スイッチドキャパシタバンク (TSC) | 30–50% | 固定報酬よりも早い; フル SVC よりも低コスト; 段階的にPFを改善します | ステップ変化補償のみ — 連続的ではありません; 高周波変動に対しては効果が低い | 中規模溶接機, モーターが始動します, 中程度の予測可能なちらつきの原因 | $30–80/左 |
| SVC (TCR + 固定コンデンサ) | 50–70% | 成熟したテクノロジー; 数百Mvarまで拡張可能; 適度なコスト; 長い設置ベース | 1/2～ 1 サイクル応答遅れ; 各補償パルスの前縁の残留サグと後縁のうねり; 高調波フィルターが必要です. 以下の注を参照してください. | アーク炉, 大型抵抗溶接機, MV/HVネットワーク | $80–200/左 |
| ハイブリッドSVC + パッシブフィルター | 65–80% | 大型 EAF 向けにコストを最適化; 高調波とフリッカーを同時に処理します; 超高出力で実証済み | 複雑な工学的研究が必要; 調整および保守する 2 つのシステム | 超高出力電気炉 (>100 MW) | $60-150/各合計 |
| STATCOM (VSCベース) | 60–80% | 応答 ~2 ～ 5 ms — SVC のリーディングエッジのサグとトレーリングエッジのうねりの制限を大幅に回避します; 設置面積が小さい; DCコンデンサから有効電力と無効電力の両方の変動を供給可能 | 大規模な場合は SVC よりも平方メートルあたりのコストが高くなる; より複雑なパワーエレクトロニクス | SVC サイリスタ遅延が明らかな制限となる高繰り返し溶接機および EAF | $120–300/左 |
電力品質エンジニアリング, ネットワーク側から見ると, 最終的には共有インフラストラクチャの管理です. 接続されたすべての負荷は、同時に電源障害の潜在的な被害者であると同時に、隣接する負荷への障害の潜在的な発生源にもなります。. この二国間関係を理解する — 定量的に, 適用される規格を参照して — 健全な PQ 実践の基礎です.
IPQDF 技術記事シリーズ
次の記事では、この概要の個々のトピックをエンジニアリングの完全な深度で扱います。 — 実際の数値例付き, 回路モデル, 単位当たりの計算, フィールドで校正された結果.
6-パルスVFD高調波: スペクトラム, 境界, とネットワークへの影響
6パルス整流器フロントエンドの全高調波電流スペクトル. フーリエ分解, 単位あたりの大きさ, IEEE 519-2022 PCC でのコンプライアンス評価, およびネットワーク電圧の歪み.
記事を読む →高調波コンデンサと力率コンデンサ: 共鳴のリスク
VFD からの高調波電流がシャント コンデンサ バンクとどのように相互作用して並列共振回路を形成するか. 共振周波数, 増幅率Q, 原子炉の離調による緩和.
記事を読む →誘導電動機に対する高調波の影響: ネットワーク汚染, VFDストレス, と緩和
2部構成の治療: モーターによって供給ネットワークに注入される高調波, 歪んだ電源からモーターが受け取る高調波 — 独自の VFD を持たないモーターを含む.
記事を読む →被害者としての 6 パルス整流器: 電源の歪みとドライブの信頼性
コンプライアンスのパラドックスを詳しく調査: IEEEに準拠したドライブ 519 供給電圧自体が歪んだ場合、排出制限は依然として内部損傷を受ける可能性があります. 弱いネットワークシナリオと強いネットワークシナリオを定量化.
近日公開参照
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- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 電磁両立性 (EMC) — 一部 4-30: 試験及び測定技術 — 電力品質測定方法. 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.
- IEEE規格 1159-2019. IEEE が推奨する電力品質監視の実践方法. IEEE, ニューヨーク.
- IEC 61000-2-5:2017. 電磁両立性 (EMC) — 一部 2-5: 環境 — 電磁環境の分類. IEC, ジュネーブ.
- Arrillaga, J., ワトソン, N.R. 電力系統高調波, 2編. ジョン·ワイリー & ソンス, 2003. ISBN 978-0-470-85129-6.
- モハン, N., ウンデランド, T.M., ロビンス, W.P. 電力工学: コンバータ, アプリケーション, とデザイン, 3第二版. ジョン·ワイリー & ソンス, 2002. ISBN 978-0-471-22693-2.
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- 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.
- IEC 61000-4-7:2009+AMD1:2021. 電磁両立性 (EMC) — 一部 4-7: 試験及び測定技術 — 高調波と次数間高調波測定および計装に関する一般的なガイド. IEC, ジュネーブ.
- EPRI / シーズ. 産業およびデジタルエコノミー企業に対する電力障害のコスト. EPRI, パロアルト, CA, 2001. レポート番号. 1006274.
- ITC (情報技術産業協議会). ITIC 曲線アプリケーション ノート — 電圧許容範囲の境界. ワシントン, DC, 2000.
- ボール, M.H.J. 電力品質の問題を理解する: 電圧低下や中断. IEEEプレス / ワイリー・インターサイエンス, 2000. ISBN 0-7803-4713-7.
- IEC 61000-4-15:2010+AMD1:2012. 電磁両立性 (EMC) — 一部 4-15: 試験及び測定技術 — Flickermeter — 機能性とデザイン仕様. IEC, ジュネーブ.
- IEEE規格 1036-2010. シャント電源コンデンサの応用のためのIEEEガイド. IEEE, ニューヨーク.
- いいえ MG-1-2021. モーターと発電機. 全国電気製造者協会, ロズリン, バージニア州.
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- CSA C235:19. AC システムの推奨電圧レベルは次のとおりです。 50 000 で. CSAグループ, トロント, 2019. カナダの国家規格.
- CAN/CSA-C61000-2-2:04 (R2023). 電磁両立性 (EMC) — 一部 2-2: 環境 — 公共低電圧電源システムにおける低周波伝導障害と信号伝達の互換性レベル. CSAグループ, トロント. カナダでの IEC の採用 61000-2-2.
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- CSA C22.3 いいえ. 9:20. 分散型エネルギー資源と電力供給システムの相互接続. CSAグループ, トロント, 2020. カナダの国家規格.