電能質(zhì)量與生活密切相關(guān)

隨著生活水平的提高，人們對供電質(zhì)量的要求也在不斷提升。供電質(zhì)量是電能質(zhì)量的重要組成部分，電能質(zhì)量與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。

在經(jīng)濟社會發(fā)展的過程中，電能質(zhì)量的提升也面臨著許多方面的挑戰(zhàn)。為了給人們提供更安心的用電體驗，供電企業(yè)和相關(guān)科研機構(gòu)在提升電能質(zhì)量方面做了長期努力，其中重要的是積極構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)。

電能質(zhì)量影響廣泛

衡量電能質(zhì)量的主要指標有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。這些指標可能聽起來有些復(fù)雜，對應(yīng)到生活中，則意味著電燈是不是穩(wěn)定照明，精密儀器能不能正常使用……

“世紀大停電”引發(fā)的思考

盡管已經(jīng)過去十年，但那場被稱為“世紀大停電”的美加大停電仍然讓不少人記憶猶新。2003年8月14日下午，美國東北部、中西部8個州和加拿大安大略省發(fā)生了北美歷史上最大規(guī)模的停電事故，引起地鐵、隧道、橋梁關(guān)閉，不少航班取消，商家停業(yè)，美國通用汽車等汽車巨頭的54座工廠停產(chǎn)，近5000萬人口受到影響。

調(diào)查顯示，天氣炎熱負荷激增，線路重載跳閘后造成某地區(qū)電壓進一步降低并引起一連串故障，是停電的客觀原因之一，而一座發(fā)電廠因受雷擊發(fā)生火災(zāi)則被認為是停電的直接原因。

更多專業(yè)人士由此展開了對大城市供電可靠性的一系列研究。

供電可靠性是衡量供電質(zhì)量的一個非常重要的指標。從另一個角度說，電能質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電安全和供電質(zhì)量，電能質(zhì)量是對優(yōu)質(zhì)供電進行評價的重要方面。

專業(yè)標準規(guī)定中，電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)指定點處的電特性，根據(jù)預(yù)定的基準技術(shù)參數(shù)來評價。這些參數(shù)大多與供電和負荷之間的兼容性有關(guān)，包括電網(wǎng)頻率、供電電壓、電壓諧波和間諧波、電壓中的載波信號以及快速電壓變化等等，并受到諸多因素影響。

重慶電力科學研究院的專業(yè)人士介紹，影響電能質(zhì)量的因素主要有三個方面：一是自然現(xiàn)象，如雷擊、風暴、雨雪等;二是電力設(shè)備及裝置的自動保護及正常運行，如大型電力設(shè)備的啟動和停運、自動開關(guān)的跳閘及重合等;三是電力用戶的非線性負荷、沖擊性負荷等大量投運，如煉鋼電弧爐、電氣化機車運行等，會使公用電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波干擾，產(chǎn)生電壓擾動、電壓波動與閃變等。

備受關(guān)注的電壓質(zhì)量

10月23日，在重慶市巴南區(qū)接龍鎮(zhèn)荷花村六陽社，村民余國彬看著不遠處正在放線的供電員工，臉上就帶起了笑：“變壓器換了，電線也粗了，這下高峰期用電也能放心了。”

六陽社是個山里的小村莊。近年來,隨著生活水平不斷提高，村里各家各戶都置辦了不少大功率家電，在用電高峰時出現(xiàn)了時段性的低電壓現(xiàn)象。余國彬說，這使得好多機器開不起來，打米、加工農(nóng)作物都很困難，現(xiàn)在新增了變壓器，還改造了線路，用電問題能解決了。

通常，電能質(zhì)量問題主要反映為電壓質(zhì)量問題。各地供電企業(yè)都在積極治理低電壓，提升供電的電能質(zhì)量。此外，電壓質(zhì)量問題還得到了更廣泛的關(guān)注。中國電子科技集團29所的研究人員徐忠曾闡釋“電壓暫降”帶來的影響。“電壓暫降”是指供電電壓有效值短暫降低，隨后恢復(fù)正常的供電現(xiàn)象。一些高科技設(shè)備對電壓變化很敏感，短時的供電中斷或電壓有效值下降往往會造成設(shè)備不正常運行，發(fā)生停機等事故。

引起電壓暫降的主要原因是電網(wǎng)或用電設(shè)備因雷擊、外力發(fā)生短路故障，一些用電設(shè)備(如電動機)啟動或突然加負荷也會造成電網(wǎng)電壓瞬時下降。電壓暫降會引起敏感控制器不必要的動作(引起跳閘)，造成包括計算機系統(tǒng)失靈、自動化裝置停頓或誤動、變頻調(diào)速器停頓等;引起接觸器脫扣或低壓保護啟動，造成電動機、電梯等停頓;引起高溫光源(碘鎢燈)熄滅，造成公共場所失去照明。

對此，評價電能質(zhì)量的所有參數(shù)都是重要的，但不同用戶、不同用電設(shè)備對電能質(zhì)量的關(guān)注方面不同。他舉例說，供電的電壓質(zhì)量是否處于規(guī)定的理想范圍內(nèi)，可影響用戶設(shè)備是否能夠正常運行，但普通居民客戶用電設(shè)備比較單純，一般不會受到影響，而計算機存量大的信息中心對電能質(zhì)量中的電壓暫降、暫升、短時中斷就比較關(guān)注，一般都配置不間斷電源(UPS)以防止此類問題發(fā)生。

不可忽視的諧波污染

你家里的電燈有沒有忽明忽暗的現(xiàn)象?如果已排除其他原因，那么這種現(xiàn)象有可能是由諧波污染造成的。而電視機、洗衣機等已相當普及的家電，有可能就是諧波源之一。

專家解釋，非線性負荷從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，通稱為諧波源。諧波引起電壓波動和閃變產(chǎn)生脈沖磁場，使用電設(shè)備受到高能量沖擊，最直觀的感覺就是引起如上述照明燈光閃爍等問題。

近年來，隨著人們對可再生能源的利用日漸重視，風能、太陽能等清潔能源發(fā)電的規(guī)模和速度日趨增大，此外，高速電氣化鐵路不斷投入運營，鋼鐵企業(yè)大容量電弧爐和軋機等沖擊性負荷日益增加，這些都使得電網(wǎng)的非線性、非對稱性和波動性問題日趨嚴重，直接影響到電網(wǎng)電能質(zhì)量及對客戶的供電質(zhì)量。

客戶側(cè)的非線性電力設(shè)備的比例逐漸增大，成為引起電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的主要原因之一。如熒光燈、計算機、變頻設(shè)備、整流設(shè)備、不間斷電源、開關(guān)電源、電弧爐、焊接設(shè)備、電梯、復(fù)印機等的使用都會污染電網(wǎng)電能質(zhì)量。這些非線性負載所產(chǎn)生的大量諧波電流涌入電網(wǎng)，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變現(xiàn)象。電能質(zhì)量涉及供電企業(yè)和電流用戶兩個方面，這兩方面互為影響，兩者在電力系統(tǒng)中以公共連接點(PCC)為連接紐帶。供電企業(yè)提升供電的電能質(zhì)量，為客戶提供優(yōu)質(zhì)供電服務(wù);同時，客戶的非線性負荷能給電網(wǎng)帶來電壓畸變，因此負載的諧波電流由用電客戶負責，并不得超過規(guī)定值，這反映的是用電質(zhì)量。

有關(guān)資料表明，諧波會惡化電能質(zhì)量指標，降低電網(wǎng)可靠性，增加電網(wǎng)損失，縮短電氣設(shè)備的壽命，在一些情況下還會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低，數(shù)量減少。李濤永舉例說，工廠大型流水線一般就會對諧波、閃爍等比較關(guān)注，因為這些問題會導(dǎo)致設(shè)備故障率上升，影響生產(chǎn)效率。諧波污染是國際公認的電網(wǎng)公害，對諧波的治理不容忽視。

超級電容的優(yōu)劣勢與未來應(yīng)用

現(xiàn)在，當說到電動汽車動力總成設(shè)計時，“電池”不再是唯一浮現(xiàn)我們腦海中的詞匯。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，“超級電容”的誕生為電動/混動汽車開啟了全新的篇章。超級電容是繼機械式儲能方式和化學式儲能方式之后的第三代儲能方式——物理式儲能方式。

超級電容的最大優(yōu)點在于能夠快速地進行充放電，并且功率密度要遠高于鎳氫電池。得益于此，超級電容不僅能夠起到儲能、供能的作用，而且還具有使電動汽車短時功率提升的效用。

超級電容不僅具有超高充放電效率，同時還能給制動能量再生系統(tǒng)和啟停系統(tǒng)帶來積極作用。一些歐洲和日本車企的微混汽車中采用超級電容，因為這些車型主要針對經(jīng)常需要啟停的城市路況，超級電容能更好地進行能力回收。今年的法蘭克福車展上，豐田Yaris Hybrid-R便采用了超級電容。

現(xiàn)在全球消費電子業(yè)務(wù)營收額約為3.66億美元，其中包括超導(dǎo)體和渦輪葉片控制器這類元件。這項數(shù)字將以每年18%的幅度增長。到2018年，重型商用車中將大幅配備超級電容，營收額將達3.23億美元，而乘用車中設(shè)計超級電容的營收額將達到1.52億美元。

傳統(tǒng)電池通過緩慢的化學反應(yīng)產(chǎn)生電能，而超級電容是通過在電極表面高速移動電子產(chǎn)生電能，也就是說超級電容能的產(chǎn)電效率更高。每個超級電容中含有一對圖上了活性炭的金屬板。

活性炭為多孔結(jié)構(gòu)，因此其表面積非常大，無論采用化學方式還是物理方式，都能牢牢地“鎖”住電荷。

電極對浸于有機電解質(zhì)中，用于加速電荷運行。當超級電容充滿時，每個碳電極上擁有兩層電荷載體涂層表面。這也是超級電容被稱為雙電層電容的原因之一。

汽車中的超級電容

本田開創(chuàng)了將超級電容用于汽車的先河。2002款FCX燃料電池試驗車中搭載了本田稱作“ultracapacitor”的超級電容。

不過，直到幾年前標致雪鐵龍與Maxwell技術(shù)公司簽訂合約，為旗下標致和雪鐵龍微混汽車購買了一批超級電容器，用于e-HDI系統(tǒng)中，超級電容才算正式進入量產(chǎn)化應(yīng)用階段。同樣地，馬自達在其i-ELOOP系統(tǒng)中采用了類似的電容技術(shù)，使電池在保證啟停功能的同時，還能實現(xiàn)制動能量回收的功能。

超級電容技術(shù)的支持者表示，超級電容相比傳統(tǒng)電池更適合于長時間工作，因為它們更穩(wěn)定。不過在一般微混汽車中，車企仍然偏愛傳統(tǒng)電池，因為搭載超級電容將附帶一系列其他元件，包括直流-交流轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機等。這些元件將增加汽車的成本，除此以外，車身重量也將有所增加。

車企主要考慮在中混汽車中使用超級電容，或?qū)⑵渥鳛橐粋€能夠提升峰值功率的元件。Lux的分析師Laslau表示：“有多家原始設(shè)備制造商的工程師對超級電容器的應(yīng)用表現(xiàn)出興趣，例如在中混汽車中利用30-50個超級電容形成電容組。這將實現(xiàn)節(jié)能7%左右?！?

Prinz團隊的研究重點是解決現(xiàn)有燃料電池在燃燒過程中一系列問題，氧離子在高溫下的移動速度遠高于低溫，這就意味著如果想獲得高的工作效能，則必須讓燃料電池保持在高溫環(huán)境，原有的技術(shù)所要求的工作溫度往往高于500攝氏度，但這樣的高溫足以融化電池中經(jīng)常使用的鋅材料。像熔爐或由電池功能的加熱器可以用來為燃料電池提供反應(yīng)初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度;一旦氧氣和燃料開始發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量能夠反過來為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當降低燃料電池工作溫度的時候，氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生能量中用于加熱薄膜的熱量供應(yīng)將會明顯的降低，但同時氧離子流動速度也會顯著減緩，這種情況下工程師們開始研發(fā)適用燃料電池結(jié)構(gòu)的更多材料，希望新型材料既要有高的性價比，還要有過硬的質(zhì)量保證。

較低的工作溫度代表著較慢的反應(yīng)速度和較低的氧離子傳遞速度，原來的做法是在速度和溫度之間做出權(quán)衡，但是Prinz團隊則希望在更低溫的工作環(huán)境下，他們研發(fā)的燃料電池既不會減緩氧離子移動速度，也不會降低系統(tǒng)的效能。他們開展的核心工作是重新設(shè)計了固體氧化物薄膜結(jié)構(gòu)，使其在低溫下有著更好的氧離子傳遞效率。氧氣是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸，這也是為什么Prinz團隊把他們的絕大多數(shù)努力和創(chuàng)新研究都集中在了薄膜的氧氣側(cè)。

傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結(jié)構(gòu)，平面薄膜易于加工生產(chǎn)，但沒能最充分地利用空間，所以Prinz團隊對這種薄膜進行了一系列的提升。首先，它們設(shè)計制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表面面積;其次在起皺的表面設(shè)計出微型顆粒凸起結(jié)構(gòu)，看起來跟砂紙類似，進一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點;然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動到燃料側(cè)變得更簡單方便。這款創(chuàng)新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團隊工作人員還提到了一項提高燃料電池效能的創(chuàng)新技術(shù)，那就是他們?yōu)楸∧娡苛艘环N全新的催化劑，但具體材料還沒有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級顆粒凸起結(jié)構(gòu)，與砂紙式薄膜表面結(jié)構(gòu)有著異曲同工之妙：氧離子有更多的機會被吸收，以參與之后的氧化還原反應(yīng)。

Prinz相信他們的新技術(shù)將有效地推進低溫環(huán)境下固體氧化劑燃料電池的研發(fā)進程，低溫高效能的特性為將來推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅實的基礎(chǔ)。