電能質量監測裝置

在某單晶硅棒光伏產業基地的應用

劉川

江蘇安科瑞微電網研究院有限公司 江蘇江陰 214432

摘 要：

太陽能光伏作為可再生能源領域的重要支柱，正迎來快速發展。大量電力電子設備應用雖然推動了太陽能光伏領域的發展，但同時也帶來了諸多電能質量問題，成為制約其健康發展的關鍵因素。其中，電壓波動、諧波污染、頻率偏差等問題尤為常見，這些問題不僅影響了設備的正常運行，還可能對生產效率和產品質量造成負面影響。電能質量監測裝置作為先進的電力監測工具，能夠實時、準確地監測電網中的電能質量指標，為企業提供可靠的數據支持，幫助企業及時發現并解決電能質量問題，保障生產線的穩定運行。此外，它還有助于提升生產效率、降低生產成本，并推動企業實現綠色生產。

關鍵詞：新能源；電能質量；光伏；諧波； 

1 項目概況

某光伏企業位于四川省宜賓市，是當地重要的光伏企業之一。該公司主要從事太陽能光伏電池的研發、生產和銷售，是集“研、產、銷"為一體的光伏科技企業。作為光伏產業鏈的重要一環，它致力于通過技術創新和產業升級，推動太陽能光伏電池的發展。此外，公司還參與分布式光伏電站的建設，利用廠房屋頂等空間進行光伏發電，為綠色能源的發展做出貢獻。

本項目是單晶硅棒光伏產業基地年產20GW單晶硅棒項目。該項目在宜賓高新區投建，總投資約45億元，占地面積廣，將形成年產20GW單晶硅棒的生產能力。項目的實施將進一步擴大該企業的產能優勢，提升該企業的品牌競爭影響力，同時也將為宜賓市的光伏產業發展注入新的活力。預計項目滿產后將實現年產值顯著增長，并帶來大量的稅收，為當地經濟社會發展作出重要貢獻。此外，該項目還將推動宜賓市光伏產業鏈的完善，加快構建光伏產業生態圈，提升宜賓在全球光伏產業中的地位和影響力。同時，項目的實施還將為當地創造大量的就業崗位，提高居民收入水平，推動地方經濟社會的可持續發展。

2 項目需求

本次項目為該單晶硅棒光伏產業基地10/0.4KV用戶變電站項目，該變電站總共有30路高壓進線，在其中14路進線處安裝電能質量監測裝置實時監測各路進線的電能質量參數，監測生產過程中可能遭遇的電能質量問題并為電能質量問題治理提供依據。單晶硅棒是太陽能電池的重要原材料，在生產過程中可能遇到的電能質量問題主要包括以下幾個方面：

（1）電壓波動與閃變：

高功率設備及工藝過程導致電力負荷快速變化，進而沖擊電網，引發電壓波動。電力電子設備如中頻爐和直流爐產生的電流諧波干擾電網正常運行，加劇電壓波動和閃變。電網容量、阻抗分布及無功補償等自身特性同時也會影響電壓穩定性。除此之外外部因素如天氣、其他設備運行狀況和電網負載變化也會對電壓穩定性產生影響。

（2）諧波污染：

單晶硅棒的生產過程中，涉及到了多個階段，如加料、熔化、縮頸生長、放肩生長、等徑生長和尾部生長等，這些階段通常需要使用各種電力電子設備，如中頻爐、直流爐、大功率開關電源等。這些電力電子設備在工作過程中，普遍采用半導體可控整流方式，這種方式會產生大量的電流諧波。這些諧波不僅會對電網造成污染，降低電能質量，還可能對生產設備造成干擾，甚至損壞設備。

（3）       頻率偏差：

電力系統的頻率偏差會對單晶硅棒的生產過程產生影響。例如，電動機的轉速會隨頻率變化而變化，這可能影響到設備的正常運行和產品質量的穩定性。

電能質量監測裝置能夠實時監測電力系統的運行狀態，確保電網的穩定性和可靠性，從而避免生產過程中的電壓波動和閃變問題。同時，該裝置還能有效監測并分析電流諧波，幫助生產廠家迅速解決諧波干擾，防止設備損壞和生產中斷。此外，通過監測功率因數、電能損耗等指標，電能質量監測裝置能夠提升電力系統的效率，減少能源浪費，實現更經濟的生產。更重要的是，該裝置還能提高用電安全，及時發現電壓失調、電壓暫降等電能質量問題，并采取相應措施，防止設備故障和安全事故的發生。因此，為了監測這些電能質量問題，選擇在高壓重要進線處安裝電能質量監測裝置APView500。

該設備主要實現的功能如下：

3 產品方案

下圖是該光伏產業基地部分配電系統圖，該系統由220kV/110kV變電站引入30路10kV電源，其中包含14路主用進線，14路備用進線，2路環網柜進線。本次在每個配電室的主進線柜就地安裝1臺電能質量監測裝置APView500，共計安裝14臺APView500。每臺裝置接入主用進線和備用進線的電壓電流，對兩路進線的電能質量進行實時監測。

圖1 光伏產業基地部分配電系統圖

裝置主要監測功能：

諧波監測與暫態事件監測是電能質量在線監測裝置的兩個重要監測功能。諧波監測支持直觀的柱狀圖和詳盡的表格兩種展示方式，圖1即為其柱狀圖示例。當電網成發生暫升、暫降、短時中斷等暫態事故時，裝置會觸發告警及事件記錄，圖2是電壓暫降的一條事件記錄，里面詳細記錄暫降發生的時間、持續時間、暫降深度及剩余電壓等關鍵信息。此外，裝置還具備暫降源定位功能，利用等效阻抗算法，能夠準確判斷暫降源是來自母線側還是線路側，如圖4展示。在暫態事件發生時，裝置還會記錄相應的波形，圖5是一條電壓暫降的波形，這些波形對于判斷故障類型及原因至關重要。圖6和圖7呈現的容忍度曲線，是裝置根據暫降事故生成的ITIC和SEMI F47曲線，它們直觀地反映了事故對設備的影響程度，為故障分析提供了有力依據。通過這些功能，電能質量在線監測裝置實現了對電力系統的監測和故障分析。

圖2 諧波監測柱狀圖

圖3 電壓暫降事件記錄

圖4 暫降定位事件記錄

圖5 暫降波形

圖6 ITIC容忍度曲線

圖7 SEMI容忍度曲線

4 現場安裝圖片

本項目各類設備均就地安裝于開關柜中，現場安裝圖片如下。 

5 結語

太陽能光伏產業在技術進步、成本下降和政策支持的推動下，正在快速發展壯大。未來，隨著技術的不斷創新和市場的不斷擴大，太陽能光伏產業有望在全球能源結構中發揮越來越重要的作用。隨著生產工藝的不斷發展，越來越多的電力電子設備被應用到生產過程中，從而導致大量電能質量問題，造成了供電系統的不穩定性，而電能質量的穩定性對于保障生產線正常運行至關重要。安裝電能質量監測裝置，可以實時監測電能質量，提前發現問題，有效降低生產線停機時間，保障生產效率。其次，裝置的應用還能夠有效降低能源浪費，提高能源利用效率，為企業節約成本，實現可持續發展提供了有力支撐。總而言之，電能質量監測裝置的引入不僅提升了生產水平，更為行業的未來發展注入了新的活力與動力。

參考文獻

[1] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6月版

[2] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.11月版

作者介紹：

劉川，男，現任職于江蘇安科瑞微電網研究院有限公司，主要研究方向為電能管理與保護的相關應用。