节能测试-通过谐波滤波器节能真的有用吗?

2022-06-22浏览次数:107

节能测试-通过谐波滤波器节能真的有用吗?


By Gabriele Ribichini, managing director,

Dewesoft Srl, Italy


声称优化工业用户接收的电流的电力或能源节约器目前被市场化和采纳,以减少消费和削减电费。
制造商声称可以节省超过10% 的电力,他们计算出几年内这笔相当可观的投资的回报。使用 Dewesoft 的 SIRIUS 高速数据采集模块和 Dewesoft x 电源模块与简单的数学我检查了这些声明。

dewesoft电能分析仪是世界上最小的高精度电能质量分析仪


引言

我被这些设备和承诺的惊人的好处所吸引。我的好奇心促使我去分析适用的节能估算方法,并调查这些节能的实际情况。通过示例测量,我发现了它们是如何欺骗客户的。
不久前,我偶然发现了一些非常有趣的技术,可以提高工业系统的能源效率。我喜欢绿色环保,我喜欢有助于解决低效率和防止能源损失的技术。我对其中的一些设备非常感兴趣,因为它们声称可以产生非常一致的节能。
在一位制片人的网站上,我发现了这样一句话:

“减少电费,增加竞争力。
节约能源是清洁能源的无限来源,可以帮助任何公司减少能源浪费和电费单的成本。除了新的可再生能源,节约能源是对抗气候变化和污染的最好方法之一。”

在精密测量领域,我对这种说法非常着迷,特别是“无限源”这个术语。我决定进行更多的调查,看看这种创新技术在现有工业厂房中究竟能产生多少节能效果。
与一些省油器生产商交谈后,我意识到不同的解决方案被认证可以达到非常不同的效果,从几乎为零到10% 甚至更高的平均储蓄。我自己的想法是,基本上这些系统只能节省一部分浪费的能源。
浪费能量基本上是指由于无功功率引起的传导损耗。在现代工业装置中,非线性负载的存在产生了不可忽视的失真无功,增加了总无功功率(q)-见图1。

图1-浪费的电力: 由于无功功率导致的传导损耗。


节能器

节能器基本上是一个滤波器-有源或无源改变电流波形的形状,以减少总无功功率,从而功率损耗。一家制造商这样描述该产品:

“一种具有混合功能的无源感应滤波器,其特点是利用入射能量流产生的一些能量,将一些相反的电磁矢量注入到功率流中,从而引起与所选择的滤波水平相称的电压降。电感不是恒定的,而是动态地改变滤波器的阻抗值,以适应电网的功率吸收,从而最大限度地提高滤波器的效率。”

这是一个纯粹的电力装置。类似于可变变压器和过滤器的组合,根据一个专用的算法来优化电能质量,从而节省电能。

电力节能器


电能质量是电压分布、频率分布、谐波含量和供电可靠性的综合。它指示电源接近稳定、不间断、零失真和无干扰电源的理想情况的程度。
从电压优化的角度看,这个更多的是一个电能质量优化器而不是一个简单的电压优化器,因为他们也作用于当前波形。
基本上,通过优化电能质量,这些产品服务于发电和成本节约。在这种情况下,消费者可以从电能质量的提高和节能投资的回报中获益。
开始这一思路,我很怀疑超过10% 的平均储蓄,这将获得工业厂房。如果只节约一部分浪费的能源,那么实际上这家工厂的平均能源损失将远远超过10% 。
再进一步分析,我越来越清楚地认识到,计算节省的钱根本不是一件小事!我联系的生产商对这些测量和估算有更多不同的方法。
我想到了几个问题,于是我决定在这个领域进行一些测量,试图澄清我的疑问。
我对制片人声称节省了10% 以上的费用很感兴趣。作为一个测量专业人员,我有机会安装 Dewesoft 电能质量分析仪的标本,这个产品的测量参数描述偏离其理想的正弦波形的电压在一定的频率。

基于 Dewesoft x 软件和 SIRIUS HS (高速)数据采集系统的 Dewesoft 电能质量分析仪,可以根据 IEC 61000-4-30 a 级标准测量电能质量参数。

采用 SIRIUS-HS 型放大器的 Dewesoft R1DB 电能质量分析仪

节省开支的估计

是的,节约的成本不能被计算-它只能被估计。

计算节省的问题与保持连接负荷充分恒定的难度有关。要了解实际情况,就必须知道在特定时间内有节能器和没有节能器的系统的功率消耗。两者的区别在于实际的节能。然而,很容易理解的是,不可能同时知道同一个系统有节能器和没有节能器的消耗量。
通过与节能器制造商的交谈,我了解到几种估算总节能的不同方法。一个非常简单的,需要高性能的功率表和一个简单的,不幸带来非常高的测量不确定度。

瞬时功率节能的估算
一个省电器,我发现在市场嵌入一个大功率三相旁路开关意味着设备可以绕过只有不到20毫秒。
假设负荷在这么短的时间内不发生变化,测量系统可以根据启动旁路开关前后测量的功率值计算节能。
在负荷不变的情况下,功率消耗的变化只能被认可为节能器效应。


这是一个相当简单的方法,基于两个严格的条件:
▶  节能器集成了旁路开关,
▶  该测量系统能够在一个电压周期内计算功率。Dewesoft x 数据采集软件允许计算电源模块中的“周期功率值”。

不管怎样,大多数节约型经济器都没有包括这样一个旁路开关——它们根本不可能被绕过。这种节能器始终处于开启状态,通过输出在电网上测得的相同电压(带有一定的公差)来模拟旁路功能。
过渡开关(反之亦然)需要20-30秒,因此不可能认为负载是恒定的。在这种情况下,测量功率的变化可能与负荷的变化或/和节能器效应有关,而且没有办法区分这两者。

长期能源消耗节约估算

确定节约能源既需要精确的测量方法,也需要可复制的方法,即所谓的测量和验证协议。在这种情况下,节能器制造商利用国际性能测量和验证协议(IPMVP)。该议定书定义了标准条款,并提出了量化能效投资结果的最佳做法。
IPMVP 提供了四个选项用于确定节能指标(a、 b、 c 和 d)。对于这类工业设备,最合适的方法似乎是选项 c,因为:

“节省是通过测量能源使用在整个设施或分设施水平[ ... ] ,其中电子对抗措施预计将影响设施中的所有设备。”

然后,制造商用两个能量计数器进行3天的测量——由算法校准程序的结果确定的时间——来计算他们的节约估计。
基本上,校准程序验证了在正常操作下,两个计数器在一段时间后,在没有省煤器的情况下,其总能量值是相同的。开关周期可以调整和一个较长的测试应用。这就保证了 Eon 和 Eoff 值的差异可以仅仅归因于节能器的活动,而不是由于负荷的变化。
在此试验过程中,节能器在开关状态进行循环通断,并根据算法标定的结果,预定间隔时间为15分钟。一个能量计数器是计算省节能设置为 ON 和设置为 OFF 时所有时期的能量消耗。两个计数器测得的总能量之间的差额,然后用来估计3天后的总节能量。
这是一个更复杂的方法,但它可以应用于任何省煤器,并不一定需要像 Dewesoft 高端测量系统。两个简单和低成本的能源计数器将做的工作。


测试与测量

测量设置

通过此系统我有机会分析出,约11% 的平均节能-这个省煤器不包括旁路开关,所以 IPMVP 协议的实施,以估计节省长期能源测量。
尽管要测量消耗的能量,在省煤器前安装能量计数器就足够了,我还是决定安装两台 Dewesoft 功率分析仪,一台在省煤器前,一台在省煤器后。我想得到最可能的信息,看看是否和如何省钱最终欺骗用户与节省估计或证明这样的省钱真的工作!
为了实现这一点,我使用了两个 SIRIUS 高速数据采集设备,第一个测量电压和电流在电网,后者测量后省煤器。两者显然是完美的同步,并计算所有的功率参数。

两个 Dewesoft SIRIUS 高速数据采集模块——一个测量电网电压和电流,另一个测量节能器后的电流。

节能器提供两个干式触点继电器,分别在省煤器处于关闭和开启状态时启动。干触点继电器状态读取两个隔离的低压输入通道有一个集成的可编程电源。

功率和能量由 Dewesoft x 电源模块计算。通过简单的数学运算,我已经能够根据标准的 IPMVP 协议分别累计 ON 和 OFF 周期的能量。


Dewesoft x 数据采集软件中显示测量和谐波的测量屏幕

测量

这些系统留三天监测所有功率参数,省煤器留在测试模式循环之间的开和关状态每15分钟。

安装在省煤器输入输出端的 DS-FLEX-3000-35-HS 电流传感器

类似的测量被并行执行节能器嵌入式控制系统显示在屏幕上的结果。

三天后省煤器显示 EOn 11.738,6 kWh 和 EOff 12.528,2 kWh,总计节电6.3% 。嵌入式省煤器系统和我们的 Dewesoft 系统测量可比的结果。


嵌入式省电器计量系统的显示。

这对我来说已经是一个惊喜了。在过去的3-4个月里,系统总是显示平均节能超过10% 。当我使用高性能功率分析仪测试系统时,这个比例降到了6.3% 。

结果

通过分析获得的数据,我发现了一些非常有趣的结果。有了一个全时域的历史记录,我就能够生成任何开和关期间所需的能源数据图。


关闭周期的能量为绿色,关闭周期的能量为粉红色。

这个图表清楚地表明,在省煤器处于 ON 状态的某些时期,所要求的能量被测量接近于零。
然后我放大到同一图表的一个较小的部分,以分析电网输入和省电器输出电压的能量图和从电网中测得的总能量。

能量图表的电压-阶段1网格绿色和阶段1省煤器输出红色。底部是来自电网的测量总能量。


结果表明,节能器的电压输出是有规律的,而电网总能量几乎是不断增加的。
没有明显的理由说明为什么在这些周期中测量的能量应该接近于零。除非,那是如果节能器继电器被误激活-或误读。通过对切换时间的分析,清楚地证实了这一假设。

切换时间数据显示多个不规则激活。


切换时间表明有多个激活——假激活没有遵循指定的省煤器行为。当然,把 ON 周期能耗降低到零,降低了 Eon 累计器的值,最终增加了节省计算。

拥有所有的时域信号 Dewesoft 功率分析仪能够重新构造正确的计算时间,尽管不正确的继电器操作,然后已经减少节省6,3% 下降到估计节省1.8% 。
我很惊讶,这个简单的把戏-或不希望的行为-能够欺骗第三方电能表。但幸运的是,不是德威索夫特电能表。由于离线数学的能力,允许从记录器信号开始任何形式的重新计算。

任何能源经理与标准电能质量分析仪或电能表将测量6.3% 。只有像 Dewesoft 这样具有功率测量能力的高性能数据采集系统才能检测出这种省煤器故障或技巧。
从数据来看,省煤器的一些更奇怪的行为是值得注意的。

从栅极(绿色)和省煤器输出(红色)的仿真比较1阶段电压。



省电器没有集成旁路开关,为了模拟关机状态,它应该产生从电网接收的电压。
比较来自电网和省煤器输出的第一相电压,很明显,在 OFF 状态下,电压总是比电网(+ 2,5 v)高一点。在线性负载对电压变化敏感的情况下,电压的增加与功率和能量的增加有关。
换句话说,这可能是一种有意识的机制,用来增加 Eoff 累计器的值,从而人为地虚假地增加节省计算。
此外,分析信号的时间历史,我有可能得到的数据都在测试模式和正常运行。看来,系统在测试模式下使用的算法不同于正常运行,施加不同的电压水平。我怀疑这种行为也可能被设计成人为地增加节能结果。


总结

不幸的是,我无法在这个装置中找到清洁能源的无限来源。为了达到10.5% 的平均节能而出售的省煤器——由合同保证的8.5% ——远远不符合要求。显示屏显示6.3% ,但实际上,它只提供了1.8% 的节省,甚至进一步减少折扣多电压技巧发现分析信号。
我清楚地认识到,标准 PQ 分析器或简单的能量积算器用于实现 IPMVP 协议的节能估算,可以很容易地转移到省煤器的行为,并将确认不正确的节能6.3% 。
我还确认,消费者必须保持严格态度,应该质疑那些提供高节能的制造商。如果没有高端功率分析仪,很难证明它们具有欺骗性。但请记住——只有一小部分损失得到了挽救。




参考文献
International Performance Measurement & Verification Protocol: Concepts and Options for Determining Energy and Water Savings. IPMVP, 2002.