学术机构配电系统的电能质量 — 卡布斯苏丹大学
| 设施 | 苏丹卡布斯大学 (新加坡大学), 阿曼 — 全校园配电系统 |
| 测量的电压电平 | 33 kV/11kV主变电站· 11 kV/415 V 楼宇变电站 |
| 关键测量点 | 工学院·信息系统中心·二 33/11 kV主变电站 |
| 识别非线性负载 | 光伏转换器·UPS系统·带变速电机的冷水机 (变频驱动器) · 计算机机房 · 服务器机房 |
| THDI 测量范围 | 2% 至 10% 取决于位置和负载 |
| 测量的 TDD 范围 | 2% 至 8% 取决于负载 — 在 IEEE 内 519 限制最多点 |
| IEEE 519 电压总谐波失真限制 | 5% 在PCC (33 kV/11 kV 接口) — 总体符合要求 |
| 未来方向 | SQU计划大规模光伏并网和智能电网升级——PQ评估建立了DER前基线 |
01 背景——校园作为 PQ 的缩影
大学校园是电能质量评估最复杂、最具指导意义的环境之一. 他们结合, 在单一分配系统内, 现代建筑中几乎所有类型的非线性荷载: 拥有数百个开关模式电源的计算机实验室, 具有大型 UPS 系统和整流器负载的数据中心和服务器机房, 配备变速驱动器和精密实验室设备的研究设施, 配备 VFD 控制冷水机的空调系统, 并且越来越多地, 采用并网逆变器的屋顶光伏发电.
阿曼苏丹卡布斯大学是一所大型现代化校园，为工程学院的数千名学生和教职员工提供服务, 科学, 药品, 和计算——全部连接到 33 kV/11 kV/415 V 三电平配电系统. “ 2024 SQU 研究人员的研究对该系统的多个点进行了全面的 PQ 审核, 从 33 kV 进线变电站直至建筑物入口层, 在规划大规模光伏并网之前，为园区建立系统的谐波基线.
工业 PQ 评估通常侧重于一种或两种主要非线性负载类型 - 电弧炉, 变频驱动器, 整流器 - 以及一两个测量点. 校园PQ的特点是大量的小, 分布在许多建筑物上的不同非线性荷载, 连接到共享分配系统. 园区变电站的总谐波失真是数百个单独开关电源的统计结果, 不间断电源系统, 变频驱动器, 和光伏逆变器 - 每个都有自己的谐波频谱, 每个部分抵消或增强其他部分，具体取决于其开关频率的相位关系. 这种统计聚合行为使校园 PQ 更容易处理 (没有单一的主导来源) 并且更难归因 (许多来源, 复杂的相互作用).
02 校园非线性负载混合
该研究确定了导致 SQU 谐波失真的非线性负载的四个主要类别:
- 光伏逆变器 — 带有并网逆变器的屋顶太阳能装置，可产生经典谐波 (来自 PWM 调制) 和超谐波发射 (来自高频开关). 光伏贡献是随时间变化的——夜间为零，中午太阳辐照度达到峰值, 创建随时间变化的谐波背景，改变一天中的谐波环境
- 不间断电源系统 — 用于数据中心和服务器机房的大型集中式 UPS 系统, 以及适用于各个实验室的小型分布式 UPS 装置. UPS 系统是机构环境中最多产的谐波源之一 — 典型的双转换 UPS 50% 负载消耗电流 THDI 为 25–35%, 以五次和七次谐波为主
- 带变速驱动器的冷水机 — 空调系统是中东大学校园的主要电力负载, 室外温度经常超过 40°C 的地方. 与定速同等制冷机相比，VFD 控制的制冷机可显着节能，但会引入 5 次谐波电流, 7日, 11日, 和第 13 阶与冷水机组的运行功率成正比
- 计算机实验室和服务器机房 — 数百台台式电脑, 监视器, 和服务器, 每个通过开关模式电源汲取电流，产生主要的三次谐波 (三重) 电流. 来自计算机负载的聚合三重谐波是中性导体负载的主要驱动因素 415 V楼宇配电系统
03 整个分布层次结构的测量结果
该研究测量了 SQU 配电系统中多个点的谐波含量, 从 33 kV 主要摄入量降低至个人 415 V栋入口. 这种分层测量方法揭示了谐波失真如何随电压等级变化，以及变电站总失真与各个建筑物级失真的关系.
| 测量位置 | 电压等级 | 总谐波失真度范围 | 时分双工范围 | IEEE 519 THDv 限值 | 合规性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 主变电站A & 乙 | 33 千伏 / 11 千伏 | 2–5% | 2–5% | 5% 总谐波失真 | 合规 |
| 工学院变电站 | 11 千伏 / 415 在 | 4–8% | 3–6% | 8% 总谐波失真 | 合规 |
| 信息系统中心 | 11 千伏 / 415 在 | 5–10% | 4–8% | 8% 总谐波失真 | 峰值边界 |
| 个别建筑入口 (LV) | 415 在 | 8–15% | 各不相同 | 8% 总谐波失真 | 高负载时超过 |
主要变电站的THDI (2–5%) 明显低于个别建筑物 (8–15%). 这并不是因为变电站供电更清洁，而是因为来自许多不同建筑负载的谐波电流在公共母线上部分抵消. UPS 系统产生具有给定相角的主要五次谐波. VFD 冷水机组根据其开关模式产生具有不同相位角的五次谐波. 计算机实验室产生三次谐波. 当所有这些电流流回公共端时 11 kV总线, 它们的矢量和小于算术和——部分抵消减少了聚合失真. 变电站测量正确符合 IEEE 519 (由公用事业公司在 PCC 进行评估), 但这种合规性并没有说明个别建筑物内敏感设备所经历的失真.
04 总谐波失真对比. TDD——为什么区别很重要
SQU 研究正确应用了总需求扭曲 (TDD) 而不是电流总谐波失真 (总谐波失真) 评估 IEEE 时 519 合规性——在校园和商业建筑 PQ 评估中经常被误解的一个区别.
关键区别
THDI 将谐波电流含量表示为测量时刻基波电流的百分比. 轻负载时 — 20% 额定负载 — UPS 消耗 30% 满载时的 THDI 可能会消耗 60% THDI，因为谐波电流相对恒定，而基波电流减小. 这使得 THDI 成为可变负载安装合规性评估的误导性指标.
TDD 将谐波电流含量表示为最大需求电流（过去 15 分钟内消耗的最大平均电流）的百分比 12 月. UPS 图纸 30% 总谐波失真度 (THDI) 20% 负载可能仅显示 TDD 6% ——在 IEEE 内 519 限制——因为谐波电流只是系统设计最大需求的一小部分.
当校园设施工程师看到电能质量分析仪报告时 35% UPS 馈线上的 THDI, 本能的反应是 “我们有一个严重的谐波问题。” 当同一工程师使用 TDD 计算时 12 月最大需求数据, TDD 通常为 6-8% — 在 IEEE 范围内 519 限制. 谐波电流是真实存在的，会引起真实的发热, 但系统设计用于处理最大需求电流，并且谐波含量仅占该设计电流的一小部分. 了解 THDI 和 TDD 之间的差异可以防止不必要的警报和不必要的有源谐波滤波器支出（这些滤波器对于标准合规性来说是不需要的）.
05 光伏并网——建立基线
SQU PQ 审核的主要目标之一是在计划的大规模光伏发电集成之前建立谐波基线——这是一种明智的工程实践，很少在 DER 部署之前执行. 通过在添加光伏板之前表征每个测量点的现有谐波环境, 该研究创建了一个前后比较框架，可以将光伏逆变器的谐波贡献与网络中已经存在的背景失真分开.
这种 DER 前基线方法解决了事后 PQ 评估中的一个基本问题: 没有基线, 无法确定观察到的合规性超标是否是由新安装的光伏系统引起的，还是在安装之前就已经存在. SQU 研究的系统多点测量方法 — 涵盖从 33 千伏至 415 V — 准确提供未来安装后评估所需的基线.
SQU通过大规模光伏集成迈向绿色智慧校园的计划符合中东大学校园电气化的大趋势. PQ 评估为这一转变提供了工程基础 — 确定配电系统的哪些部分具有用于额外非线性负载的谐波余量 (光伏逆变器) 并且已经接近极限. 信息系统中心, 峰值负载时已经显示出 TDD 边界, 如果其供电线路增加大量光伏容量，则需要谐波管理. 主要 33 千伏变电站, TDD 为 2–5%, 有足够的空间.
06 电能质量视角
SQU 案例研究的价值不在于其 PQ 问题的规模——该校园在很大程度上符合 IEEE 519 ——但是对于它所展示的系统方法论. 分层 PQ 测量活动涵盖从公用设施接口到各个建筑入口的所有电压等级, 在计划的重大变更之前应用于复杂的混合负载环境 (光伏并网), 是教科书式的工程实践. 事实上，它很少以这种形式执行，这是更重要的观察结果.
聚合效应的发现对于公用事业和园区运营商如何解释 PQ 合规性具有直接影响. 符合以下条件的校园 33 kV 公用设施接口 — 其中 IEEE 519 评估合规性 - 可能同时有个别建筑物具有显着较高的谐波失真，从而导致设备问题, 缩短变压器和 UPS 的使用寿命, 并增加损失. PCC 的合规性并不意味着整个分销系统的可接受性. 内部分配系统是校园运营商的责任——SQU 方法论, 扩展到建筑物级监控, 将确定哪些建筑物需要主动谐波抑制，哪些不需要.
大型大学校园——拥有自己的 33 千伏或 11 kV 配电系统, 他们自己的变电站, 以及他们自己的一代——充当迷你公用事业. 适用于公用事业配电系统的 PQ 工程学科同样适用于校园配电系统: 内部 PCC 的谐波限制, 馈线电压调节, 针对 VFD 重型建筑负载的无功功率管理, 现在 DER 整合规划. 大多数校园设施工程师没有公用事业配电工程背景. SQU 的研究就是一个例子，说明了弥合这一差距后会发生什么——系统性的, 标准参考, 多点 PQ 评估提供可行的工程基线，而不是孤立测量的集合.
参考文献
- 巴迪 A 等人. “某学术机构配电系统电能质量调查与分析。” 能源, 17(16), 3998, 2024. DOI: 10.3390/en17163998. 开放获取 CC BY 4.0.
- IEEE StD里 519-2022. 电力系统谐波控制 IEEE 标准. IEEE, 纽约, 纽约, 2022.
- 符合IEC 61000-3-2:2018. 谐波电流发射限值 (设备每相输入电流≤ 16 A的相). 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61727:2004. 光伏 (光伏) 系统——实用程序接口的特征. 符合IEC, 日内瓦.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
巴迪 A 等人. “某学术机构配电系统电能质量调查与分析。” 能源 (MDPI), 飞行. 17, 不. 16, p. 3998, 八月 2024. DOI: 10.3390/en17163998. 开放获取 CC BY 4.0 — 苏丹卡布斯大学, 阿曼.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. SVG 图和 PQ 透视部分 (部分 6) 是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.