授課與出題老師：呂振文 博士
電力品質作業
第1章
1. 為何電力公司與用戶愈來愈關心電力品質的議題？
答：因為…
- 負載設備對電力品質的變動愈趨敏感。
- 用戶對電力品質議題愈來愈有認識。
- 越來越多高效能裝置之應用引發了越來越多的諧波量，造成相當可觀的諧波污染。
- 在電力網路 (grid) 上有諸多電氣設備互連，任一之設備故障均可能會對其他設備有重大的影響，影響層面常擴及對生命的危害與經濟的損失，所以人們越來越關心電力品質的議題。
- 最終極的驅策力主要還是來自於經濟因素，因為不良的或失控的電力品質會對電力用戶，電力公司和設備供應商造成經濟上的衝擊。
- 如何以最經濟的方式來滿足用電的須求，達到『俗又擱大碗』的境界，這也帶動了對電力品質議題的研究。例如『CBEMA曲線』標準的制定。
2. IEEE、IEC與我們教課用書的作者所提的電力品質定義是甚麼？這些定義之差異是如何？
答：各家對電力品質的定義…
- IEEE (在美國創立的『電機電子工程師學會』)：電力擾動之相對缺失程度。
- IEC (國際電工委員會)：電力系統中電氣設備運轉的滿意情形。
- 教科書作者：Any power problem manifested in voltage, current, or frequency deviations that results in failure or misoperation of customer equipment. (由於電壓、電流或頻率偏移所引起的用戶設備故障或誤動作之任何電力問題，均屬電力品質的範疇。)
- 三者差異：IEEE 的定義比較是站在電力公司的立場來講的，IEC 的講法比較多考慮到用戶的立場，而我們教科書作者的講法則是面面俱到、不得不失。
第2章
1. 請列出電力系統電磁現象 (electromagnetic disturbance phenomena) 的分類。
答：牽涉到電力系統品質的電磁擾亂現象可分 7 個類型 …
- 暫態 (Transients)
- 短期間電壓變動 (Short-duration voltage variations)
- 長期間電壓變動 (Long-duration voltage variations)
- 電壓不平衡 (Voltage imbalance)
- 波形失真 (Waveform distortion)
- 電壓擾動 (Voltage fluctuations)
- 頻率變動 (Power frequency variations)
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| Illustration: Possible EMI scenario. |
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| Categories and characteristics of power system electromagnetic disturbance phenomena. |
- 低頻傳導式的 (Conducted low-frequency phenomena)
- 低頻放射式的 (Radiated low-frequency phenomena)
- 高頻傳導式的 (Conducted high-frequency phenomena)
- 高頻放射式的 (Radiated high-frequency phenomena)
- 靜電放電式的 (Electrostatic discharge phenomena / ESD)
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| Electromagnetic disturbance phenomena categorized by IEC. Illustrated by Siemens, 2008. |
- Power Quality Standards summary, webpage maintained by the Power Quality Lab at Wichita State University.
2. 脈衝暫態與振盪暫態之間的差異是什麼？如何描述他們的特徵？
答：
脈衝式暫態指的是『在一穩態情況下，突然發生的電壓、電流、或電壓電流二者數值在單一極性方向上非電源頻率之短暫快速變化。』一般是以她發生時的驟升時間和衰退時間來描述她的特徵的。
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| Lightning stroke current impulsive transient |
至於振盪式暫態所指的是『在一穩態情況下，突然發生的電壓、電流、或電壓電流二者數值在正負雙極性方向上非電源頻率之短暫快速變化。』一般是以她的頻譜成份 (predominate frequencies / 主要頻率)、持續時間、及其值大小來描述她的特徵的。
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| Low-frequency oscillatory transient by ferroresonance of a unloaded transformer |
她們之間的差異最主要就在於其變化量發生之極性方向不同：脈衝式是單極性的，振盪式的是在雙極性方向上變化的。
3. 請列出及定義分類為長區間變化(long duration variation)的電力系統擾動。
答：
長區間電壓變化的電力系統擾動有 3 類型，即，過電壓 (overvoltage)，低電壓 (undervoltage)，持續斷電 (sustained interruptions)。定義如下：
- 過電壓：當基頻交流電壓之有效值大於額定值的110%且持續時間超過1分鐘以上。
- 低電壓：當基頻交流電壓之有效值小於額定值的90%且持續時間超過1分鐘以上。
- 持續斷電：當所供給的電壓降到零且持續時間超過1分鐘。
4. 長區間與短區間變化之不同是什麼？
答：
- 長區間變化是指基頻 (power frequency) 電壓的均方根值 (rms) 持續變動時間在1分鐘以上。
- 短區間變化是指基頻 (power frequency) 電壓的均方根值 (rms) 持續變動時間在1分鐘以下。
5. 試計算：
5.1 請寫出兩種用來衡量電壓不平衡的方法，其中電力系統的三相電壓為
，則上述二方法描述的不平衡大小分別為多少？
答：
衡量電壓不平衡 (voltage imbalance) 的方法有二種：
- Voltage Unbalance Rate (VUR)
- Voltage Unbalance Factor (VUF)
where V2 stands for negative-sequence component, and V1 for positive-sequence component.
故，本習題之 VUR 和 VUF 計算如下：
接著計算本題之 VUF：
以上。
5.2 電力匯流排上之三相電壓為
，則以電壓不平衡率(VUR)與電壓不平衡因數(VUF)定義得知之不平衡大小是多少？
答：
VUR:
VUF:
以上。
6. 如何敘述諧波位準？電流總諧波失真因數是如何導致誤解的？
答：
正弦電壓或電流波形中含有系統基本頻率 (i.e. fundamental frequency, usually 50 or 60 Hz) 的整數倍之正弦波形，即所謂的諧波位準。
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| Fourier series representation of a distorted waveform |
諧波主要源自於設備或負載的非線性特性所造成的。非線性特性圖說如下圖所示：
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| Current distortion caused by nonlinear resistance |
電流總諧波失真因數 (current’s Total Harmonic Distortion factor, THDI)
I1 = current value of the fundamental frequency component.
可能導致誤解的原因：當系統在輕載的情況下，基頻電流 I1 值較小，這麼一來 THDI 看起來會較大，就容易造成不必要的緊張憂心，因為其實系統整體的電流值都不大，不會造成損害。調速機 (adjustable-speed drive / ASD) 的特性即是此一典型的例子：
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| Current measurements on a 150HP, 6-pulse VFD (ASD) with no harmonic treatment. See the differences between THD and TDD figures. |
為了克服 THD 在電流諧波失真觀測上這樣子的誤解，IEEE 的 519 號標準 (IEEE Standard 519-1992) 定義出了新的諧波失真因數：總需量失真因數 (Total Demand Distortion / TDD)
IL = maximum demand load current, or the rated load current.
Further reading about TDD, documents in pdf format to download:
- Application of IEEE Std 519-1992 Harmonic Limits, by Thomas M. Blooming and Daniel J. Carnovale.
7. 電壓波動是什麼？其與電壓變化之差異是如何？
答：
依照 ANSI C84.1-1982 規範中的定義，電壓擾動 (voltage fluctuation) 指的是『電壓包絡之系統性變化或電壓波形之一連串任意變化，其變動大小不超過系統額定電壓之 0.9 標么 (p.u.) 至 1.1 標么之間的範圍，稱之為電壓擾動。』
又根據 IEC 61000-2-1 Type (d) 的定義，我們將討論的電壓擾動為『一連串任意或連續的電壓波動。』
『電壓擾動 voltage fluctuation』與『電壓變化 voltage variation』之差異在於，電壓擾動所探討的是電壓波形或電壓包絡 (voltage envelope) 之一連串連續的或任意的變動，重點在於當下電壓包絡所呈現的波動狀態，且波動大小在額定電壓的 0.9 p.u. ~ 1.1 p.u. 之間範圍內；而電壓變化所觀測的是一系統電壓之有效值 (rms value) 的變化在超過額定電壓值 110% (過電壓) 或低於額定電壓值 90% (低電壓) 的部份，重點在於實際電壓有效值與額定電壓之間的差異量與差異持續時間。
簡單講，不在『電壓變化』的變動範圍內的電壓波動即屬於『電壓擾動』的問題了。
8. CBEMA曲線是什麼？包絡線下方與上方的點數意義是什麼？
答：
CBEMA 曲線是以電力系統的電壓變動幅度之大小及持續時間來描述電腦對於電壓變動的可忍受程度。早先是由美國的 Computer Business Equipment Manufacturers Association (CBEMA) 所提出的，此曲線之應用已成為電力系統上的敏感性設備之設計指標，以及描述電力品質資料變異之共同格式。
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| CBEMA curve |
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| ITI curve |
若是事故點發生在『包絡線下方』，則意味著設備可能會因為電力不足而跳機。若是事故點發生在『包絡線上方』，則意味著可能引起其他故障或誤動作，例如絕緣破壞、過電壓跳脫、或過激磁現象。
References for further study:
- Power Quality Standards: CBEMA, ITIC, Semi F47, IEC 61000-4-11/34, presented by Mark Stephens for Electric Power Research Institute.
完。
下課。
Related information:
- 電力品質監控與功率計量線上教學, by National Instruments.
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