电工仪器仪表在节能减排中的作用

2022-09-12

电工仪器仪表技术领域重点研究开发电力系统及工业自动化测控系统的电磁参量测量, 技术方法、仪器仪表和测试系统。为了达到节能减排的目的, 在电工仪器仪表的设计阶段, 就应充分考虑其节能特性;另外, 节约电能和控制电能质量是节能减排的一个重要方面, 而在电力系统中, 电能的损耗主要是由无功功率引起, 电能质量则主要取决于谐波的含量, 因此开发谐波抑制和无功补偿装置对于节能减排具有重要意义。总之, 在节能减排的工作中, 电工仪器仪表正在发挥着非常重要的作用。在风能、太阳能等可再生资源的利用中, 风力发电和光伏发电的工业化和并网紧密依靠着电工仪器仪表和测控技术。

1 电工仪器仪表的节能设计

电工仪器仪表设计中, 应综合考虑产品的结构、功能、工艺, 充分利用新技术、新理论、新器件、新电路、新材料, 使产品在使用过程中消耗能量最少。电工仪器仪表的节能设计应遵循以下原则。

(1) 选用低功耗传感器。近年来, 传感器发展速度非常快, 新型低功耗传感器不断问世。仪器仪表在选用传感器敏感元件时, 应选择性能、价格符合设计使用要求的低功耗、微功耗传感器。

(2) 简化仪器功能。多功能势必增加仪器硬、软件的复杂性, 降低产品的可靠性, 增加电流消耗。仪器设计不能片面追求多功能模式。在满足仪器必要功能的基础上, 简化硬件电路设计, 尽量利用软件实现仪器的功能, 是降低仪器功耗的有效方法。

(3) 设计低功耗电路, 采用低功耗器件。这是降低仪器功耗的主要设计原则。仪器的模拟放大电路可采用低 (微) 功耗运算放大器;数字电路可采用CMOS器件, 并采用可编程器件FPGA实现数字电路功能, 从而取代分立元件, 降低电路功耗;显示可采用IXTD显示器。

(4) 单电源、低电压供电。单电源供电可以提高电源的使用效率, 降低功耗。单电源供电状态下, 应注意降低供电电压。大部分模拟电路的工作电压范围宽, 电路正常工作的动态范围较广, 在允许牺牲电路增益的条件下, 降低电源电压可大大降低电路的工作电流, 从而降低功耗。以低功耗集成运算放大器LM324为例, 其单电源电压工作范围为5~30V, 当电源电压为5V时, 功耗约为15mW;当电源电压为10V时, 功耗约为90mW;当电源电压为15V时, 功耗约为220mW。低电压供电对于减低器件电流消耗的作用十分明显。

(5) 降低信息处理单元的时钟频率。仪器中的信息处理单元 (如DSP、单片机等) 的功耗与振荡频率有关。在权衡信息处理单元的运算速度后, 选用较低的时钟频率可以降低电流消耗。此外, 睡眠方式可以减少仪器的工作时间, 从而降低功耗。

2 谐波抑制和无功补偿装置用于电网节能

电网中的谐波是对电网环境非常严重的污染。谐波使电能生产、传输和利用的效率降低;使电气设备过热, 产生振动和噪声, 并使其绝缘老化, 使用寿命降低, 甚至发生故障或烧毁;谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振, 使谐波含量放大, 造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作, 使电能计量出现混乱。因此, 谐波是电能质量的重要决定因素, 无谐波是绿色环境的主要标志之一。

电网中的无功功率造成的不合理线损则是电能消耗的重要原因, 与电网中的有功损耗相比, 无功损耗要大的多, 这是因为高压线路、变压器的等值电抗要比电阻大得多, 并且变压器的励磁无功损耗也要比励磁有功损耗更大。无功功率补偿装置在电力系统中所承担的作用是提高电网的功率因数, 降低供电变压器及输送线路的损耗, 提高供电效率, 改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置, 对于节省电力能源同样是至关重要。

综上, 性能良好的谐波抑制和无功补偿装置, 是节能减排效果最为显著的一种电工仪器仪表, 对节能减排工作具有非常重要的意义。图1所示为一种谐波抑制和无功补偿装置的主控电路, 包括信号调理单元、同步信号捕捉单元、信号采样单元、信号处理单元、执行单元以及通信单元。

装置上电后, 经过一定时间延时保护后, 主控制器开始工作, 信号调理单元把变压器二次侧的电压、电流信号变换为-5V~+5V的交流电压信号, 经过抗混叠滤波后输出到采样单元。同步信号捕捉单元动态跟踪电网频率, 定时刷新采样单元的采样间隔值。采样单元按采样间隔值定时对信号调理单元的输出进行每周期64点采样。信号处理单元通过对采样值进行数据处理、计算, 根据傅立叶变换原理进行频谱分析计算得到实时谐波含量和功率因数值, 并与用户设定的投入门限, 切除门限进行比较, 再考虑系统电压幅值 (谐波含量) 情况确定滤波无功补偿器组的投切动作, 投切命令发送到触发电路, 由触发电路控制晶闸管在电压正向峰值时投入补偿器, 以“在保证不出现过补偿的前提下, 使电网从系统中吸收的谐波电流最小”为原则对补偿器组进行投切控制, 以此改善电压质量, 抑制谐波, 提高功率因数, 降低网络损耗。

装置以TI公司的TMS320C6713型DSP为主处理器, 实时监测电力系统谐波和无功功率。该装置响应速度快、动态性能好, 所以能实现对快速变化的谐波和无功功率进行跟踪补偿。并且可以实时在线设置投入门限、切除门限、过压值、欠压值、延时值等参数。能有效地降低谐波含量、提高功率因数、降低电能损耗、达到节能的目的。