常见新增负载引起的电能质量问题测量
抽象的
近年来，温室效应和能源价格上涨这两大因素对芬兰的能源使用产生了显著影响。这些因素促使市场上涌现出大量节能设备，例如热泵和节能灯。此外，制造成本的降低也使得各种新型用电设备得以面世。这些新兴设备改变了用电模式，并对配电网络提出了更高的要求。配电网络最初的设计旨在适应不同的用电模式，如今却可能面临更大的负荷。 电力质量问题 随着这些新设备变得越来越普及。
本文探讨了 电能质量问题本文分析了使用地源热泵和劈木机产生的各种问题。分析基于在芬兰实际低压配电网络中进行的测量。
研究表明，使用这些现代电器设备时可能会出现电能质量问题，其中一个特别突出的问题是劈木机启动电流过高。这种高电流会导致电压下降，进而可能导致闪烁。
一、引言
近年来，由于配电网络中引入了新型负荷，能源消耗模式发生了转变。推动这些变化的主要因素有三个：温室效应、能源价格上涨和设备制造成本降低。
缓解温室效应和全球变暖的努力主要集中在减少二氧化碳排放上。因此，市场上涌现出大量旨在降低排放的设备，例如节能荧光灯。用这些节能灯泡替代白炽灯泡是减少碳排放的一种方法，因为节能荧光灯的发光效率更高。欧盟委员会第244/2009号条例强制要求逐步淘汰市场上的白炽灯泡。
能源成本的上涨促使消费者投资购买能够降低能耗和成本的设备。一个常见的例子是用热泵取代燃油供暖系统，或者在电暖气的基础上加装空气源热泵。在芬兰，政府的支持加速了这一转变。图1展示了1996年至2008年间芬兰热泵安装量的快速增长。这一趋势在欧洲各地都有体现，在瑞典，热泵已成为独栋住宅的主要供暖系统，约占所有供暖方式的34%。
图 1. 1996-2008 年芬兰不同类型热泵的安装数量。
不同类型的热泵对电力消耗和使用模式的影响各不相同。例如，用地源热泵替换燃油供暖系统会增加家庭的整体电力消耗。相反，在现有的电供暖系统中加装空气源热泵则可以降低电力消耗。然而，在这两种情况下，如果将之前的能源消耗与新的电力使用量进行比较，由于大部分供暖能源来自土壤或空气，整体能源消耗都会降低。这种能源消耗的减少会导致二氧化碳排放量的减少，具体取决于电力的生产方式。电力生产对化石燃料的依赖程度越高，使用热泵所带来的减排效果就越显著。
热泵是因技术进步和制造成本降低而日益普及的典型例子。在芬兰，一台空气源热泵（含安装）的价格目前在 1200 欧元到 3500 欧元之间，使其成为一种经济实惠的选择。地源热泵由于需要接地回路和更高的功率容量，价格更高，但由于成本更低，也成为一种日益普及的新型负荷。同样，用于劈柴的劈木机，因其价格实惠且使用方便，也变得越来越普遍，可用于壁炉或桑拿炉。
这些新型负载正在改变电力消耗方式。尽管它们有可能降低整体能耗，但由于其独特的电气特性，这些设备也可能引发电能质量问题。配电网络的设计原则日渐陈旧，并不总是能满足这些新型负载的要求。随着这些负载的日益普及，电能质量问题可能会更加频繁地出现。
本文探讨了地源热泵和劈木机使用过程中出现的电能质量问题。选择这两种设备是基于配电公司收到的电能质量投诉。该研究基于在芬兰实际配电网络中开展的案例测量。文章首先概述了与上述负载相关的电能质量问题，然后详细描述了案例研究的测量过程。最后，文章给出了测量结果和结论。
二、电能质量的理论背景
电能质量被定义为“一组参数，用于描述正常运行条件下向用户提供的电能的质量特性，包括供电连续性和电压特性（对称性、频率、幅值、波形）”[7]。本文重点关注电压质量方面的电能质量。电压质量的限值在EN 50160标准中定义，该标准概述了公共配电网络供电的电压特性。该标准旨在定义和描述供电电压的频率、幅值、波形和线路电压对称性等特性。这些特性在系统正常运行期间会因负载变化、特定设备的干扰以及主要由外部事件引起的故障而发生变化。这种变化在时间和空间上都是随机的，这意味着在极少数情况下，可能会超出限值。
EN 50160 标准定义了低压和中压网络的电压特性 [8]。本文仅考虑低压网络的电压特性，重点关注由电压快速变化引起的闪烁、电压水平波动和电压骤降，因为这些都是常见的电能质量投诉原因。图 2 显示了芬兰一家配电公司在 2003 年至 2005 年间收到的电能质量投诉分布情况。约 70% 的投诉与电压变化有关。
图 2. 2003-2005 年芬兰某配电公司电力质量投诉分布情况 [9]。
闪烁和电压波动通常是由需要电力才能运行的设备引起的。当设备连接到电网时，它会汲取电流，从而导致配电网络阻抗上的电压发生变化。这种现象可以用公式 1 来描述。根据设备的连接方式，它对各相电压的影响可能不同。例如，如果设备采用三相连接且对称，则所有相电压都会受到类似的影响，要么电压下降，要么电压上升。但是，如果设备采用单相连接，由于星形连接点的位移，各相电压可能会经历不同的变化；例如，一相电压可能上升，而其他相电压则下降。
ΔU = 电压变化矢量；ZN = 配电网络阻抗矢量；IDEV = 设备电流矢量
EN 50160 标准规定了闪烁的允许水平，指出任何一周内 95% 的长期闪烁严重程度应小于或等于 1。对于电压水平，该标准规定，任何时间段内 95% 的 10 分钟平均有效值应在 Un ± 10% 的范围内，且所有 10 分钟平均有效值均应在 -15%
三、热泵和木材劈裂机的理论背景
热泵和劈木机都依赖感应电机提供动力，因此，就电流消耗和电能质量而言，感应电机是最关键的部件。劈木机通常使用单相感应电机，而热泵则可能使用单相或三相感应电机，具体取决于其类型。大型热泵，例如地源热泵和空气源热泵，通常使用三相电机，而小型热泵通常使用单相电机。
感应电机对配电网最显著的影响发生在启动阶段，此时电机需要吸收较大的启动电流。如图3和公式2所示，该大电流会导致电网阻抗两端的电压发生变化。图3a展示了多相感应电机的等效电路，图3b展示了一个近似等效电路。该近似电路假设阻抗z1和zm的无功分量远大于电阻分量，并且电压E2仅略小于电阻分量，且与电压V几乎同相。这些假设适用于正常运行范围内的传统感应电机。公式2由图3b推导得出，表明当感应电机的转差率较小时，电机从电网吸收的电流较大。电机启动瞬间的转差率为1，启动后逐渐减小至接近0。单相感应电机的等效电路和电流吸收公式与多相电机不同，但高启动电流的影响在两种情况下类似[10]。
图 3. a) 三相感应电机的等效电路。b) 三相感应电机的近似等效电路 [10]。
r1 = 定子电阻；x1 = 定子漏抗；xm = 励磁电抗；r2 = 转子电阻；x2 = 转子漏抗；s = 电机滑差
启动电流对电能质量构成重大挑战，因为它在启动时达到峰值，并在正常运行期间保持相对稳定。从电能质量的角度来看，电机启动频率至关重要。如果启动频率过高，则电压波动会更加频繁。热泵的运行时间取决于供热需求、泵的功率和参数设置。如果供热需求接近泵的额定功率，则泵可以长时间连续运行。但是，如果需求远低于泵的额定功率，则可能会频繁启动和停止。例如，某地源热泵供应商规定，停机和重启之间的最小间隔时间为 10 分钟。
对于劈木机而言，启动频率取决于其运行逻辑。劈木机液压活塞的运动主要有两种运行逻辑。第一种是在感应电机运转时，完全由液压控制完成活塞的所有运动。第二种是在电机运转时，利用液压控制进行下压动作，并在电机停止时利用弹簧实现活塞的复位运动。第二种逻辑的启动频率要高得多。在我们的测量中，我们研究的劈木机每次劈开新的原木后都需要启动一次。
四、实际案例测量研究描述
我们的研究包括在芬兰进行的两项实际案例测量，一项在莱姆帕莱（Lempäälä）农村地区，另一项在坦佩雷（Tampere）市区。两项案例的范围和环境略有不同。我们使用了 Dranetz PX-5 和 Dranetz 4400 电能质量分析仪作为测量设备。本节将详细描述这两项实际案例测量。
Lempäälä 农村地区网络
在莱姆帕莱（Lempäälä），本研究重点关注农村电网中一台劈木机引起的电能质量问题。该劈木机为单相设备，额定电机功率为2.2 kW。每次劈开新木柴后，劈木机都需要启动。低压电网主要由横截面积为70 mm²至35 mm²的架空束线电缆（AMKA）组成。为电网供电的20/0.4 kV变压器的额定功率为200 kVA。在该电网中，计算得到的用户端单相短路电流范围为148 A至1400 A。我们研究了三个用户供电终端处由劈木机引起的电能质量问题，测得的短路电流分别为146 A、275 A和350 A。用户供电终端与劈木机插座之间使用了一根10米长的延长线，导致插座处出现136A、200A和233A的短路电流。图4a展示了莱姆帕莱低压电网的整体情况，并标出了1号和2号馈线上的测量点。在劈木机运行时，分别在插座、用户供电终端和变压器附近进行了测量。此外，当劈木机在短路电流为146A的位置运行时，由于短路电流为275A的位置与劈木机位于同一馈线上，因此也对这两个位置进行了测量。测量量包括电压和电流波形以及EN 50160标准中定义的参数，但短时闪烁严重程度除外，该指标的测量时间为5分钟。
图 4. A) 莱姆佩拉低压网络概览。B) 坦佩雷低压网络概览及测量点位置。
坦佩雷市区网络
在坦佩雷，这项研究重点关注城市电网中地源热泵引起的电能质量问题。该低压电网主要由横截面积为 120 mm² 至 300 mm² 的地下电缆组成，20/0.4 kV 变压器的额定功率为 315 kVA。在该电网中，计算得到的单相短路电流范围为 445 A 至 9.7 kA，三相短路电流范围为 1.1 kA 至 10.8 kA，表明该电网相对稳定。在该低压电网的一端，两栋联排住宅将原有的共用燃油供暖系统更换为独立的地源热泵系统。每栋住宅分别安装了两台额定供热功率为 25 kW 和 36 kW、最大发电功率分别为 9.9 kW 和 13.2 kW 的热泵。由于热泵采用直接启动方式，每次启动时都会产生较大的启动电流。选择此地点进行研究的原因是客户投诉屏幕闪烁问题。图 4b 概述了低压网络、客户供电终端短路电流和测量点。测量量包括电压和电流波形以及 EN 50160 标准中定义的参数。
五、实际案例研究结果
本章介绍了实际案例研究的结果，其组织方式与上一章类似，以便于查阅。
Lempäälä 农村地区网络
劈木机在用户端造成了严重的电能质量问题。每次劈木都会产生相对于短路电流较高的启动电流，导致用户供电端与劈木机连接的相出现明显的电压骤降。因此，最严重的问题与闪烁和电压骤降的频率有关。图 5 显示了在用户供电端短路电流为 275 A 的情况下，一次劈木过程中启动电流的波形和均方根值。
图 5. 在客户供电终端短路电流为 275 A 的位置，一台木材劈裂机启动的波形和 RMS 值。
观察发现，由于低压网络中星形点位移，未与劈木机连接的各相在用户供电端的相电压升高，这与第三章的预测一致。图6展示了这一效应，图中显示了劈木机启动期间用户供电端的相电压。如图6所示，连接相的相电压急剧下降，每次启动都会产生符合EN 50160标准[8]的电压骤降。
图 6. 木材劈裂机启动时，客户供电终端短路电流为 275 A 位置的相电压。
表2总结了莱姆帕莱（Lempäälä）实际案例研究的总体网络影响结果。在测量1和3中，劈木机连接到L2相，而在测量2中，它连接到L1相。表2显示，劈木机运行时，用户供电终端各相的短期闪烁严重程度指数均显著增加。这表明存在非常明显的闪烁，意味着即使劈木机的短时间使用也会超过EN 50160标准[8]中定义的长期闪烁严重程度限值Plt=1。需要注意的是，在劈木机运行期间还使用了电锯，这略微增加了短期闪烁严重程度指数。然而，电锯对相电压的影响远小于劈木机。
表 2. Lempäälä 实际案例研究的总体结果。
除了表2所示的结果外，还观察到，当劈木机在测量点1运行时，250米外的测量点2也记录到了电能质量问题。即使劈木机在测量点1运行，其运行也导致测量点2的短时闪变指数在连接相中增加到7.2，在其他相中分别增加到2.8和1.1。尽管在用户端观察到了明显的电能质量问题，但在变压器端未检测到任何问题。缓解这些问题的一种方法是仅使用活塞运动由液压控制、感应电机持续运行的劈木机。
六、结论
本文基于在芬兰实际配电网络中开展的案例测量，探讨了日益普及的用电负荷所导致的电能质量问题。研究重点关注两类负荷：劈木机和热泵。
这台额定电机功率为 2.2 kW 的单相劈木机在芬兰农村低压电网的不同位置进行了测试。计算得到的电网短路电流范围为 1.4 kA 至 146 A，而用户供电终端的实测电流分别为 148 A、275 A 和 350 A。由于该劈木机启动电流高且感应电机频繁启动，导致严重的闪烁问题。由于单相设备运行导致星形点位移，所有三相均观察到闪烁现象。闪烁问题也波及到同一馈线上的邻近用户。防止此类问题的一种方法是仅允许使用活塞运动由液压控制且感应电机持续运行的劈木机，从而减少启动次数。
在坦佩雷市区电网中，研究人员调查了热泵引起的电能质量问题。两栋联排住宅共安装了四台大型热泵。这些热泵启动时，短期闪烁严重程度指数超过了1的刺激阈值。此外，其中一栋联排住宅的热泵启动还导致另一栋联排住宅的闪烁指数升高，表明存在交叉干扰。尽管短期闪烁指数偶尔超过1，但长期闪烁指数始终低于1，符合标准，表明不存在闪烁问题。然而，在热泵启动过程中，尤其是在照明方面，闪烁现象清晰可见，这可能会对部分用户造成干扰。因此，热泵供应商将安装软启动器来解决此问题。