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电能质量与生活密切相关

人气:656次发表时间:2018-03-20

随着生活水平的提高,人们对供电质量的要求也在不断提升。供电质量是电能质量的重要组成部分,电能质量与人们的生产生活密切相关。

在经济社会发展的过程中,电能质量的提升也面临着许多方面的挑战。为了给人们提供更安心的用电体验,供电企业和相关科研机构在提升电能质量方面做了长期努力,其中重要的是积极构建坚强智能电网。

电能质量影响广泛

衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。这些指标可能听起来有些复杂,对应到生活中,则意味着电灯是不是稳定照明,精密仪器能不能正常使用……

“世纪大停电”引发的思考

尽管已经过去十年,但那场被称为“世纪大停电”的美加大停电仍然让不少人记忆犹新。2003年8月14日下午,美国东北部、中西部8个州和加拿大安大略省发生了北美历史上最大规模的停电事故,引起地铁、隧道、桥梁关闭,不少航班取消,商家停业,美国通用汽车等汽车巨头的54座工厂停产,近5000万人口受到影响。

调查显示,天气炎热负荷激增,线路重载跳闸后造成某地区电压进一步降低并引起一连串故障,是停电的客观原因之一,而一座发电厂因受雷击发生火灾则被认为是停电的直接原因。

更多专业人士由此展开了对大城市供电可靠性的一系列研究。

供电可靠性是衡量供电质量的一个非常重要的指标。从另一个角度说,电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量,电能质量是对优质供电进行评价的重要方面。

专业标准规定中,电能质量是指电力系统指定点处的电特性,根据预定的基准技术参数来评价。这些参数大多与供电和负荷之间的兼容性有关,包括电网频率、供电电压、电压谐波和间谐波、电压中的载波信号以及快速电压变化等等,并受到诸多因素影响。

重庆电力科学研究院的专业人士介绍,影响电能质量的因素主要有三个方面:一是自然现象,如雷击、风暴、雨雪等;二是电力设备及装置的自动保护及正常运行,如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等;三是电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运,如炼钢电弧炉、电气化机车运行等,会使公用电网产生大量的谐波干扰,产生电压扰动、电压波动与闪变等。

备受关注的电压质量

10月23日,在重庆市巴南区接龙镇荷花村六阳社,村民余国彬看着不远处正在放线的供电员工,脸上就带起了笑:“变压器换了,电线也粗了,这下高峰期用电也能放心了。”

六阳社是个山里的小村庄。近年来,随着生活水平不断提高,村里各家各户都置办了不少大功率家电,在用电高峰时出现了时段性的低电压现象。余国彬说,这使得好多机器开不起来,打米、加工农作物都很困难,现在新增了变压器,还改造了线路,用电问题能解决了。

通常,电能质量问题主要反映为电压质量问题。各地供电企业都在积极治理低电压,提升供电的电能质量。此外,电压质量问题还得到了更广泛的关注。中国电子科技集团29所的研究人员徐忠曾阐释“电压暂降”带来的影响。“电压暂降”是指供电电压有效值短暂降低,随后恢复正常的供电现象。一些高科技设备对电压变化很敏感,短时的供电中断或电压有效值下降往往会造成设备不正常运行,发生停机等事故。

引起电压暂降的主要原因是电网或用电设备因雷击、外力发生短路故障,一些用电设备(如电动机)启动或突然加负荷也会造成电网电压瞬时下降。电压暂降会引起敏感控制器不必要的动作(引起跳闸),造成包括计算机系统失灵、自动化装置停顿或误动、变频调速器停顿等;引起接触器脱扣或低压保护启动,造成电动机、电梯等停顿;引起高温光源(碘钨灯)熄灭,造成公共场所失去照明。

对此,评价电能质量的所有参数都是重要的,但不同用户、不同用电设备对电能质量的关注方面不同。他举例说,供电的电压质量是否处于规定的理想范围内,可影响用户设备是否能够正常运行,但普通居民客户用电设备比较单纯,一般不会受到影响,而计算机存量大的信息中心对电能质量中的电压暂降、暂升、短时中断就比较关注,一般都配置不间断电源(UPS)以防止此类问题发生。

不可忽视的谐波污染

你家里的电灯有没有忽明忽暗的现象?如果已排除其他原因,那么这种现象有可能是由谐波污染造成的。而电视机、洗衣机等已相当普及的家电,有可能就是谐波源之一。

专家解释,非线性负荷从电网吸收非正弦电流,引起电网电压畸变,通称为谐波源。谐波引起电压波动和闪变产生脉冲磁场,使用电设备受到高能量冲击,最直观的感觉就是引起如上述照明灯光闪烁等问题。

近年来,随着人们对可再生能源的利用日渐重视,风能、太阳能等清洁能源发电的规模和速度日趋增大,此外,高速电气化铁路不断投入运营,钢铁企业大容量电弧炉和轧机等冲击性负荷日益增加,这些都使得电网的非线性、非对称性和波动性问题日趋严重,直接影响到电网电能质量及对客户的供电质量。

客户侧的非线性电力设备的比例逐渐增大,成为引起电力系统电能质量问题的主要原因之一。如荧光灯、计算机、变频设备、整流设备、不间断电源、开关电源、电弧炉、焊接设备、电梯、复印机等的使用都会污染电网电能质量。这些非线性负载所产生的大量谐波电流涌入电网,导致电压波形发生畸变现象。电能质量涉及供电企业和电流用户两个方面,这两方面互为影响,两者在电力系统中以公共连接点(PCC)为连接纽带。供电企业提升供电的电能质量,为客户提供优质供电服务;同时,客户的非线性负荷能给电网带来电压畸变,因此负载的谐波电流由用电客户负责,并不得超过规定值,这反映的是用电质量。

有关资料表明,谐波会恶化电能质量指标,降低电网可靠性,增加电网损失,缩短电气设备的寿命,在一些情况下还会导致产品质量降低,数量减少。李涛永举例说,工厂大型流水线一般就会对谐波、闪烁等比较关注,因为这些问题会导致设备故障率上升,影响生产效率。谐波污染是国际公认的电网公害,对谐波的治理不容忽视。

超级电容的优劣势与未来应用

现在,当说到电动汽车动力总成设计时,“电池”不再是唯一浮现我们脑海中的词汇。随着储能技术的发展,“超级电容”的诞生为电动/混动汽车开启了全新的篇章。超级电容是继机械式储能方式和化学式储能方式之后的第三代储能方式——物理式储能方式。

超级电容的最大优点在于能够快速地进行充放电,并且功率密度要远高于镍氢电池。得益于此,超级电容不仅能够起到储能、供能的作用,而且还具有使电动汽车短时功率提升的效用。

超级电容不仅具有超高充放电效率,同时还能给制动能量再生系统和启停系统带来积极作用。一些欧洲和日本车企的微混汽车中采用超级电容,因为这些车型主要针对经常需要启停的城市路况,超级电容能更好地进行能力回收。今年的法兰克福车展上,丰田Yaris Hybrid-R便采用了超级电容。

现在全球消费电子业务营收额约为3.66亿美元,其中包括超导体和涡轮叶片控制器这类元件。这项数字将以每年18%的幅度增长。到2018年,重型商用车中将大幅配备超级电容,营收额将达3.23亿美元,而乘用车中设计超级电容的营收额将达到1.52亿美元。

传统电池通过缓慢的化学反应产生电能,而超级电容是通过在电极表面高速移动电子产生电能,也就是说超级电容能的产电效率更高。每个超级电容中含有一对图上了活性炭的金属板。

活性炭为多孔结构,因此其表面积非常大,无论采用化学方式还是物理方式,都能牢牢地“锁”住电荷。

电极对浸于有机电解质中,用于加速电荷运行。当超级电容充满时,每个碳电极上拥有两层电荷载体涂层表面。这也是超级电容被称为双电层电容的原因之一。

汽车中的超级电容

本田开创了将超级电容用于汽车的先河。2002款FCX燃料电池试验车中搭载了本田称作“ultracapacitor”的超级电容。

不过,直到几年前标致雪铁龙与Maxwell技术公司签订合约,为旗下标致和雪铁龙微混汽车购买了一批超级电容器,用于e-HDI系统中,超级电容才算正式进入量产化应用阶段。同样地,马自达在其i-ELOOP系统中采用了类似的电容技术,使电池在保证启停功能的同时,还能实现制动能量回收的功能。

超级电容技术的支持者表示,超级电容相比传统电池更适合于长时间工作,因为它们更稳定。不过在一般微混汽车中,车企仍然偏爱传统电池,因为搭载超级电容将附带一系列其他元件,包括直流-交流转换器、发电机等。这些元件将增加汽车的成本,除此以外,车身重量也将有所增加。

车企主要考虑在中混汽车中使用超级电容,或将其作为一个能够提升峰值功率的元件。Lux的分析师Laslau表示:“有多家原始设备制造商的工程师对超级电容器的应用表现出兴趣,例如在中混汽车中利用30-50个超级电容形成电容组。这将实现节能7%左右。”

Prinz团队的研究重点是解决现有燃料电池在燃烧过程中一系列问题,氧离子在高温下的移动速度远高于低温,这就意味着如果想获得高的工作效能,则必须让燃料电池保持在高温环境,原有的技术所要求的工作温度往往高于500摄氏度,但这样的高温足以融化电池中经常使用的锌材料。像熔炉或由电池功能的加热器可以用来为燃料电池提供反应初始热量,以加快氧离子穿越薄膜的速度;一旦氧气和燃料开始发生反应,所产生的热量能够反过来为薄膜加热,让它始终保持在合适的工作温度。当降低燃料电池工作温度的时候,氧化还原反应产生能量中用于加热薄膜的热量供应将会明显的降低,但同时氧离子流动速度也会显著减缓,这种情况下工程师们开始研发适用燃料电池结构的更多材料,希望新型材料既要有高的性价比,还要有过硬的质量保证。

较低的工作温度代表着较慢的反应速度和较低的氧离子传递速度,原来的做法是在速度和温度之间做出权衡,但是Prinz团队则希望在更低温的工作环境下,他们研发的燃料电池既不会减缓氧离子移动速度,也不会降低系统的效能。他们开展的核心工作是重新设计了固体氧化物薄膜结构,使其在低温下有着更好的氧离子传递效率。氧气是制约燃料电池发展的瓶颈,这也是为什么Prinz团队把他们的绝大多数努力和创新研究都集中在了薄膜的氧气侧。

传统的固体氧化物燃料电池薄膜都是平板结构,平面薄膜易于加工生产,但没能最充分地利用空间,所以Prinz团队对这种薄膜进行了一系列的提升。首先,它们设计制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平,从而增大了可以用来传递氧离子的表面面积;其次在起皱的表面设计出微型颗粒凸起结构,看起来跟砂纸类似,进一步增加了固体氧化物和氧气的潜在接触点;然后薄膜的厚度也得到了不小的减低,氧离子移动到燃料侧变得更简单方便。这款创新薄膜厚度仅有60纳米,大约是玻璃纸厚度的两百分之一。

Prinz团队工作人员还提到了一项提高燃料电池效能的创新技术,那就是他们为薄膜喷涂了一种全新的催化剂,但具体材料还没有公布。最后工程师们还为催化剂层使用了纳米级颗粒凸起结构,与砂纸式薄膜表面结构有着异曲同工之妙:氧离子有更多的机会被吸收,以参与之后的氧化还原反应。

Prinz相信他们的新技术将有效地推进低温环境下固体氧化剂燃料电池的研发进程,低温高效能的特性为将来推广到商用供电电源领域打下了坚实的基础。

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