Η χρήση του όρου «ποιότητα ισχύος» (power quality) έχει επικρατήσει στον επιστημονικό και τεχνικό χώρο, όταν θέλουμε να αναφερθούμε στο βαθμό συμβατότητας του παρεχόμενου προς κατανάλωση εναλλασσόμενου ρεύματος με τις προδιαγραφές και τις απαιτήσεις του ηλεκτρικού εξοπλισμού. Ο όρος αυτός ωστόσο, είναι πολύ γενικός, ελάχιστα σαφής και συγκεκριμένος.
Στον όρο «ποιότητα ισχύος» αντιστοιχίζεται κάθε πρόβλημα ηλεκτρικής ισχύος που εκδηλώνεται με αποκλίσεις στην τάση, στην ένταση και στη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος και το οποίο επιφέρει αστοχία ή δυσλειτουργία ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών.
Η ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος διακρίνεται σε:
Παρόλο που η ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος, όπως είδαμε ανωτέρω, αναλύεται σε ποιότητα έντασης και ποιότητα τάσης, προκειμένου να αξιολογήσουμε την ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος ενός συστήματος, ασχολούμαστε σχεδόν αποκλειστικά με την ποιότητα της παρεχόμενης τάσης. Τούτο οφείλεται στα εξής:
α. Τα συστήματα παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ισχύος μπορούν να ελέγξουν και να διαμορφώσουν κατά βούληση μόνο την κυματομορφή της τάσης του εναλλασσόμενου ρεύματος. Η ένταση εναλλασσόμενου ρεύματος διαμορφώνεται από τον τελικό καταναλωτή, και ως εκ τούτου, δεν μπορεί να θεωρηθεί ως χαρακτηριστικό του συστήματος παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ισχύος.
β. Ως άμεση συνέπεια της προηγούμενης ιδιότητας, η ποιότητα τάσης αποκτά μεγαλύτερη σημασία εξαιτίας του γεγονότος ότι γίνεται αντιληπτή σε μεγαλύτερα τμήματα ενός ηλεκτρικού συστήματος, ενώ η ποιότητα έντασης είναι τοπικό φαινόμενο.
γ. Η ένταση του ρεύματος, ως προϊόν που τελικά παραλαμβάνεται και διαμορφώνεται από τον τελικό καταναλωτή, δεν μπορεί να ελεγχθεί, αφού αποτελεί άμεση συνάρτηση του φορτίου στο οποίο καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια.
Εισάγεται μία νέα μεθοδολογία για την αξιολόγηση της ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος σε δίκτυα χαμηλής τάσης, η οποία φιλοδοξεί να αποτελέσει μία ενιαία, πιστοποιημένη μέθοδο. Ο αλγόριθμος αξιολόγησης της ποιότητας ισχύος βασίζεται στο μαθηματικό υπόβαθρο ορισμού ενός νέου μεγέθους, το οποίο θα ονομάζεται «Μέτρο Ποιότητας Ισχύος». Ο σχετικός ορισμός έχει δημοσιευθεί στο ακόλουθο άρθρο::
Katsaprakakis, D. Al., Christakis, D. G., Zervos, A., Voutsinas, S. A power-quality measure. IEEE Transactions on Power Delivery. 23 (2), pp. 553-561.
Το μέτρο ποιότητας ισχύος υπολογίζεται για κάθε κύκλο τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος. Για το σκοπό αυτό εκτελείται συνεχής μέτρηση της παρεχόμενης χαμηλής τάσης με υψηλό ρυθμό δειγματοληψίας, ώστε να είναι εφικτός ο εντοπισμός διαταραχών ποιότητας τάσης υψηλής συχνότητας, όπως μεταβατικά φαινόμενα (transients), αρμονικές, πτώσεις τάσης κλπ.
Το μέτρο ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος ορίζεται με βάση τη σχέση:
όπου:
Ο όρος Ss θα ονομάζεται «φασματική συνιστώσα» του μέτρου ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος, ενώ ο όρος SP θα ονομάζεται «πιθανοτική συνιστώσα» του μέτρου ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος. Η φασματική συνιστώσα ανιχνεύει τις αποκλίσεις συχνότητας, ενώ η πιθανοτική συνιστώσα ανιχνεύει τις αποκλίσεις στο πλάτος ή την ενεργό τιμή του εξεταζόμενου κύκλου τάσης.
Το προτεινόμενο μέτρο μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά σε ένα δισδιάστατο σύστημα συντεταγμένων, στους άξονες του οποίου αντιστοιχίζονται η φασματική και η πιθανοτική συνιστώσα του μέτρου. Το μέτρο ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος θα αναπαρασταθεί στο πρώτο τεταρτημόριο του συστήματος συντεταγμένων. Η απόσταση ενός σημείου του πρώτου τεταρτημορίου από την αρχή του συστήματος συντεταγμένων παριστάνει το μέτρο ποιότητας ενός κύκλου τάσης, με φασματική και πιθανοτική συνιστώσα ίσες με τις συντεταγμένες του εν λόγω σημείου (σχήμα 1).
Σχήμα 1: Γραφική αναπαράσταση μέτρου ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος.
Για το μέτρο ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος ισχύουν οι παρακάτω ιδιότητες:
α. Το βέλτιστο μέτρο ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος του ιδανικού κύκλου τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος ισούται με 0 bits και αντιστοιχεί στην αρχή του συστήματος συντεταγμένων.
β. Όσο πλησιέστερα βρίσκεται ένα σημείο στην αρχή των αξόνων του συστήματος συντεταγμένων, τόσο καλύτερη ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος αναπαριστά, και αντίστροφα.
Στο σχήμα 2 απεικονίζονται τα μέτρα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος χαρακτηριστικά διαταραχών τάσης. Στον οριζόντιο άξονα του συστήματος συντεταγμένων απεικονίζεται η φασματική συνιστώσα, ενώ στον κατακόρυφο άξονα απεικονίζεται η πιθανοτική συνιστώσα του μέτρου ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος. Οι αποστάσεις των σημείων του διαγράμματος από την αρχή των αξόνων αντιστοιχούν στα μέτρα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος των αντίστοιχων κύκλων τάσης.
Σχήμα 2: Μέτρα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος για τους εξεταζόμενους κύκλους τάσης.
Το ορθογώνιο που ορίζεται από τις μπλε διακεκομμένες γραμμές στο διάγραμμα του σχήματος 2, ορίζει την περιοχή εντός της οποίας περιορίζονται μέτρα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος που αντιστοιχούν σε κύκλους τάσης αποδεκτής ποιότητας. Το ορθογώνιο αυτό ορίστηκε προσεγγιστικά στις ευθείες SP=2,5 bits SS=2,5 bits.
Η αντικειμενική και καθολική αξιολόγηση των προβλημάτων ηλεκτρικής ισχύος ίσως να μην υφίσταται. Επομένως, η θέσπιση των ανωτέρω ορίων για το διαχωρισμό των ποιοτικά αποδεκτών ή όχι κύκλων τάσης εναλλασσόμενου ρεύματος, δεν μπορεί να είναι μοναδική ή απόλυτη. Τα ανωτέρω όρια μπορεί να μεταβάλλονται, ανάλογα με το πρόβλημα που μελετάται και το συγκεκριμένο αντικείμενο της εκάστοτε μελέτης.
Για την αξιολόγηση και την εφαρμογή του προτεινόμενου μέτρου αναπτύχθηκαν εργαστηριακά πρωτότυπα, αποτελούμενα από κοινούς υπολογιστές, εφοδιασμένους με κάρτες λήψης μετρήσεων. Επίσης αναπτύχθηκε σχετικό λογισμικό υποστήριξης. Το εργαστηριακό πρωτότυπο ανιχνεύει διαταραχές ποιότητας τάσης ανά κύκλο τάσης και τους αποθηκεύει αν παραβιαστεί το προκαθορισμένο μέγιστο αποδεκτό μέτρο ποιότητας ισχύος, το οποίο εισάγεται ως παράμετρος στο λογισμικό. Μία χαρακτηριστική οθόνη από το σχετικό λογισμικό παρουσιάζεται στο σχήμα 3.
Σχήμα 3: Μέτρηση ποιότητας ισχύος και απεικόνιση μετρούμενων κύκλων τάσης σε πραγματικό χρόνο.
Έως τώρα έχει αναπτυχθεί πλήρως το μαθηματικό υπόβαθρο της μεθόδου αξιολόγησης ποιότητας ισχύος και έχει ελεγχθεί η ικανότητά του να ανιχνεύει και να ταξινομεί τις διαταραχές ποιότητας ισχύος, μέσω της κατασκευής των εργαστηριακών πρωτότυπων. Το επόμενο βήμα είναι η ανάπτυξη μιας εμπορικής, εύχρηστης συσκευής, με μέγεθος που θα επιτρέπει τη φορητότητά της, με φιλικό προς το χρήστη μενού και προσιτή τιμή για κάθε νοικοκυριό.