谐波电能（精选8篇）
谐波电能 篇1
所谓电网中的谐波是指电网正弦电压波形畸变后, 其波形可以用傅立叶级数进行分解, 除了50的基波外, 还存在一系列频率为基波频率整数倍和幅值比基波幅值小的正弦波, 这一系列正弦波称为谐波。按国际通行的定义, 谐波是一个周期量的正弦波分量。谐波大量注入电网将对电力系统造成严重危害, 如谐波使电网发生谐振的可能性大大增加, 使电器设备、电子设备、电气测量仪表运行不正常, 增加附加损耗, 加速绝缘老化, 降低使用寿命。
电能计量是电力系统收费的依据, 而电网中谐波的存在, 使工业及日常中仍大量使用的感应式电能表的电能计量误差加大, 影响电网的经济运行。因此, 充分分析谐波对电能计量的影响, 并对新的电能计量方法和计量装置进行研究有重要意义。
1 谐波的主要来源
电网中的谐波主要来源于三个方面:①电源质量不高产生的谐波;②输变电网产生的谐波;③非线性用电负荷产生的谐波。非线性负载的大量使用, 已成为电网中的最大谐波源, 本文主要讨论以下几类非线性谐波源。
(1) 电弧炉和熔炼炉引起的谐波源。
电弧炉是利用电极与熔化的金属炉料之间的电弧放出的热量来炼钢的, 极间介质反复不规则的开路或短路, 造成电弧极不稳定, 因此电弧炉熔化期负荷很不稳定, 产生很大的谐波电流, 而且存在电压波动和闪变。
感应熔炼炉采用相控方式, 工作电流多为非正弦周期变量, 含有大量的高次谐波。
(2) 电气化铁道与电力机车引起的谐波。
电气化铁道上运行的电力机车是当前电力系统一类重要的不对称非线性负载, 而运行中的电力机车对于某个固定的牵引变电所又是一个随意的变动负载。
电铁的电力牵引单相整流机车, 使牵引变压器低压侧电流以及电压发生畸变, 产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器高压侧注入电力系统。
(3) 计算机负载引起的谐波。
当今社会各行业对计算机的使用率越来越高, 诸如股票交易所、现代化的办公楼、网吧等都是计算机大量使用的场所, 计算机负荷相对较大。计算机中的开关电源相对电力系统来说是非线性负荷, 它的大量使用会产生一定的谐波。
(4) 变压器和换流引起的谐波。
变压器磁化特性的非线性是引起电力的另一重要原因, 其产生的谐波与变压器的工作状态有密切关系。变压器的励磁电流中含有谐波电流, 主要为3、5、7次谐波。
电力系统中, 各种不同类型, 不同容量, 服务与不同目的的硅换流设备被广泛地使用, 在进行交流—直流变换过程中, 将在交流侧产生大量高次谐波, 换流装置是电力系统中主要谐波源。
2 谐波功率的描述
电力系统中非线性负载消耗的功率可分为两部分, 一部分为从电网中吸取的基波功率, 另一部分为谐波功率。理论分析表明, 谐波功率是负的, 也就是说非线性负载可看作一个谐波源, 它向电网回馈谐波功率, 这部分功率是非线性负载从电网中吸收的基波功率的一部分转化而来。
电源G本身不产生谐波, Z1为线性负载, ZN为非线性负载, ZL为线路的等效阻抗;电源提供的基波规律PG, 经过电路ZL。损耗掉一部分功率PZL后, 分配给线性负载Z1和非线性负载ZN, 用功率表示分别为PZ1和PZn:谐波源 (即非线性负载) 向电网反馈的谐波功率为PHN, 线性负载吸收谐波功率PHI, 发电机吸收谐波功率PHG, 线路吸收的谐波功率PHL。可以得出以下功率平衡方程式:
基波功率方程式PG=PZ1+PZN+PZL
谐波功率方程式PHN=PHI+PHG+PHL
3 谐波对感应式电能表的影响
3.1 感应式电能表的频率特性
我国目前在电能计量中应用最广的计量表为感应式, 这种仪表按基波频率设计, 灵敏度高。研究波形畸变对电能表影响的重要依据就是它的频率特性。
从图1的误差与频率关系曲线可以看出, 误差为负, 且随频率增大而增大, 感应式电能表有下降的频率特性。
电网中谐波与基波相迭加, 使波形发生畸变, 由于感应式电能表的电压和电流铁心导磁率的非线性, 在电压、电流波形发生畸变时, 磁通并不相应地发生线性变化。根据同频效应原理, 只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率, 电能表也只有在同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用下产生转矩, 畸变的波形通过电磁元件后, 由于磁通不与波形对应变化, 使转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差;而频率越高, 误差越大的原因在于感应式电能表的转盘涡流路径的等效转盘阻抗及其阻抗随频率增大而增大, 电压、电流形成的工作磁通及补偿力矩则随频率增大而减小。
3.2 谐波影响下的电能计算
根据以上对谐波功率特性的分析, 在实际应用中电能表反应的电能为:
其中P—电能表反映的电量;P1—通过电能表的基波电能值;Pn—通过电能表的第n次谐波电能值;k1、kn分别为对于基波功率和n次谐波功率的的比例系数k1≈1, kn<1, 且n次数越大, kn越小。
当感应式电能表计量非线性负载时, 基波功率方向与谐波功率方向相反, 即谐波产生的是负功率, kn<0, 此时计量的电能值为, 显然小于基波功率k1P1;当感应式电能表计量线性负载时, 基波功率方向与谐波功率方向相同, kn>0, 此时计量的电能值为, 大于基波功率k1P1。
这样计量的结果, 使得非线性负载用户, 不但发出谐波, 对电网及系统设备造成危害, 而且少计量了输入电能, 使供电部门受到损失;线性负载用户, 既吸收了谐波功率, 又多计量了输入电能, 增加了电费支出。显然这种现象是不合理的。
4 谐波对电子式电能表的影响
电子式电能表具有感应系电能表无法比拟的优点, 如准确度等级高、功能多、使用方便等, 有日益广泛应用的趋势。
4.1 电子式电能表的工作原理
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的, 按其原理和结构的特点, 分为四个基本部分, 方框图如图2所示。
电子式电能表的输入极是将电网中的电压和电流经电压互感器和电流互感器转换成合适的小电压信号, 供给乘法器。乘法器是电子式电能表测量机构的核心部分, 它把两个电压模拟量转换成它们的乘积, 目前使用最普遍的是时间分割乘法器。
时间分割乘法器具有精度高、响应快、功率因素变化范围宽等特点。图3为时间分割乘法器原理图。
从乘法器输出的电压模拟量送入v/f转换电路, 转换成其成正比的脉冲数字量, 最后输入到记数电路和驱动电路, 完成功率测量。
4.2 电子式电能表的误差
图4是电子式电能表的频率特性曲线, 相对于感应式电能表的频率曲线而言, 电子式电能表的曲线平坦, 基本没有衰减, 说明它具有宽频带响应。它对基波的响应和高次谐波的功率的响应是相同的。
由以上电子式电能表的特点分析可知, 当电网电压和电流都发生畸变时, 仍能准确计量。但它也把谐波功率和基波功率等量齐观, 因此, 它的计量误差比感应式电能表大。
5 结束语
非线性用户的增多, 使电网中谐波成分不断增加, 谐波的存在对系统和用户都有百害而无一利。目前, 我国也制定了一系列规程和标准, 采取相应的措施, 减少或抑制谐波的产生和成分, 但电网中仍不可避免地存在谐波量。目前广泛使用的电子式电能表和感应式电能表都不能准确计量电能, 电子式电能表和感应式电能表随谐波次数的增加, 准确度都会相应地下降, 但相对而言电子式电能表一般精度较高, 与感应式电能表比较误差变化较小。为提高网质量和效率, 建议强制用户采取措施减小向电网注入的谐波量, 以保证电网的可靠运行, 保持线性用户的利益。为准确计量谐波量, 在研究谐波对电能表影响的同时, 研究开发高准确度、宽频带的电压互感器和电流互感器已成为解决谐波问题的首要课题之一。
摘要：随着我国经济的迅猛发展, 社会各行业的用电量越来越大, 电力网络也随之不断扩张, 同时引进了大量非线性负载。直流输电、冶金、化工等工业企业以及电气机车乃至家用电器中的换流设备和电弧炉等各种具有时变性或非线性的电力电子设备接入电网后, 会使电网电流波形发生畸变, 即向电网注入了谐波电流。
关键词：谐波,电能计量
参考文献
[1]高山.关于计算机负载对电能计量影响的探讨[J].华北电力技术, 2001, (9) .
[2]张卓等.对谐波影响下的电能计量方式的探讨[J].广东电力, 2002, 15 (4) .
[3]马军等.电气化铁路对电力系统的影响[J].西安理工大学学报, 2002, 18 (2) .
[4]肖宇.谐波对电能计量的影响[J].湖南电力, 2000, 20 (6) .
[5]韩如成等.谐波对电能计量影响的分析及对策研究[J].太原重型机械学院学报, 2002, 23 (3) .
谐波电能 篇2
【关键词】谐波源Harmonic sources；谐波危害The harmonic harm；补偿技术及优势Compensation technology and advantages
前言
杭州奥体主体场为能容纳8万人座的特级特大型体育建筑，位于钱塘江与七甲河交汇处南侧，总建筑面积21万方，含体育场、训练场、第一检录处及能源中心，及群文中心和部分地下商业用电；系统共设22台变压器，主要用电负荷为：照明、电梯、UPS、大屏显示器、VRV空调系统、弱电等。
一、系统用电概况及谐波源分析
用电负荷的主要谐波源分析：1）电梯：属于冲击性负荷，负荷变化快，波动幅动大。变化周期分为启动、加速、匀速、减速、停车，在整个周期变化范围内对无功的需求也是不同的，有吸收也有释放。所以对无功补偿的要求是既要有容性补偿又要有感性补偿。由于现在的电梯都是采用变频调速，所以在运行过程中大量的谐波，主要以5、7次谐波为主。
2）UPS：主要由整流电路、逆变电路组成。目前中大功率三迸三出UPS的整流电路通常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥6脉冲整流电路和六相全桥12脉冲整流电路等。经实测分析其谐波数据中5次脉冲谐波含量约占32%。
3）变频：低压变频一般都是采用是6脉动整流，所以谐波特性很明显，主要是5、7次谐波。但功率因数很高，基本可达到0.9以上，高的可以达到0.95以上。所以对变频的治理只需要对谐波进行治理，无功不需要补偿。
4）大屏显示器：现代的大屏幕显示屏一般使用发光二极管阵列，采用直流电压驱动。每个开关电源的输入端是整流电路，因此是典型的谐波源。单相桥式整流电路的谐波电流主要有3次、5次、7次、9次。
5）VRV：VRV空调系统的核心变频器，所以谐波特性也比较明显：主要是5、7次谐波。
据电气资料调查：目前中大功率三进三出UPS的整流电路通常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥6脉冲整流电路和六相全桥12脉冲整流电路等。
据分析：杭州奥体主体场用电系统中一些母线段含一定的谐波，且谐波特性较明显，以5、7次为主，还有少量的3、9次。
二、谐波的危害及补偿的意义
随着电力电子技术、特别是变频器、UPS等广泛应用，在提高效率同时也产生大量的谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生压降，使电压波形也变成非正弦，致使一些敏感设备无法正常工作。电网中存在大量的谐波，会对电网造成污染，降低电能的利用率。
谐波主要危害：a、对外达不到供电部门的要求，用户会受到供电部门的处罚；
b、大量谐波会造成整个系统的用电损耗增加，使设备大量发热， （尽管谐波电流与基波电流相比的比例不是很大，但大设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗将大幅度增大） 减少设备的使用寿命及正常运转。
c、恶化绝缘条件（除附加发热影响绝缘寿命外，在高频电场作用下使绝缘局部放电加剧，介质损耗显著增加，当电压畸变波形出现尖顶波时，增大了局部放电强度，降低绝缘寿命）。
d、对计算机、自动控制装置及继电保护产生干扰和造成误动；
e、影响测量仪表精度，谐波冲击也会损坏仪表。
无功补偿意义
1）无功补偿可提高设备的利用率：提高设备功率因数，线路输出的有功功率就越大，提高设备利用率。
2）减少电压损失：影响电压损失（△U）的因素有四个：线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R 和电抗X、容抗为Xc的电容来补偿，采用补偿电容，提高功率因数，电压损失△U减小，改善了电压质量。△U=（PR+Q（X-Xc ）/U
3）减少线路损耗：当线路通过电流I 时，其有功损耗：△P=3I2R=3（P/U COSφ）2*R，有功损失△P与COSφ2成反比，COSφ越高，△P 越小。
三、滤波补偿技术方案的选择
根据对系统的负荷分析，系统中谐波特性比较明显，主要以5、7次为主，还有少量的3、9次。考虑采用低次滤波通道对高次谐波进行治理。所以本次奥体主体场滤波支路设计5、7次两个支路。滤波器设计的基本原则是容性无功能满足系统无功补偿要求、电容器的额定电压能保证滤波器的安全、滤波器的分组应能满足谐波电流的容量要求，同时对滤波器进行仿真模拟，确保不会发生谐振。
采用动态滤波补偿技术的优势：
1、内部无动作元件，不会对系统造成冲击。
2、采用TSVC无级调节，能实现无功的连续补偿，而分组投切容易产生过补和欠补，同时引起电压波动。
3、滤波补偿支路不需要投切，避免了涌流和冲击电压， 稳定系统电压，保证电力设备的正常工作，保证系统滤波效果大大提高了电容和电抗器的可靠性和使用寿命。
4、相控电抗器使用寿命20年，后期基本属于免维护，节省后期维护成本。
5、TSVC的响应时间为20ms，能及时跟踪无功需求的变化，补偿效果良好。
6、无功补偿与谐波治理合二为一，既保证滤波效果，又满足无功的要求。
7、实现系统无功功率无级连续可调。能满足系统负荷在不同变化时期对无功的需求，保证系统无功不过补，稳定系统电压。
结后语
谐波对电能计量的影响 篇3
1、谐波的产生原因
在电力电子装置出现之前, 主要的谐波主要来源于变压器, 这种谐波是以三次谐波为主的奇次谐波, 但是它的量值并不大, 现阶段由变压器产生的谐波源不是主要的, 取而代之各种电子装置已经是产生谐波的主要来源, 还伴随着居多多次谐波的组合。电子电力技术应用的装置中通常情况采用了二极管来把交流电转换成直流电, 目前, 除了二极管具有交流变换为直流被广泛应用之外, 桥式整流器与大电容器滤波也可以作为直流转换为交流的变换器而常被用到。在电子开关、电化学工业整流等装置中存在大容量滤波电容器, 会使二极管的导通角变得非常小, 只有在交流电压正弦波最大值的附近能导通, 这样会让交流输入电流波产生比较严重的畸形, 三次谐波有时候会在基波以上, 形成窄尖峰脉冲, 所以线路功率因数非常低, 一般小于0.6。因为电网当中用电器的功率消耗总会比供电线路与变压器的功率要小, 所以任何线路上面的电压畸变总要小于电流畸变。总之, 铁磁饱和设备 (变压器、电抗器等) 、电子开关装置 (整流感、双向晶闸管等) 、电弧装置 (电弧焊机、炼钢电弧炉等) 都是产生谐波的主要来源。
2、谐波对电能计量装置的误差影响
2.1 电磁感应式电能表
电磁感应式电能表的设计是依照基波的原理实现的。如果基波的外面还有高次谐波分量电压与电流的时候, 电磁感应式电能表的电压线圈的阻抗与旋转圆盘阻抗会发生变化, 这样就会产生电能表的计量上面的误差。除此之外, 还因同时存在基波与谐波, 这些不同的波形会出现相互叠加, 这样就使得波形出现畸形, 然而电压与电流线圈为铁磁线圈, 呈非线性。如果想得到平均功率, 电路理论中要求具有相同频率的电压与电流相互作用。但是, 电磁感应式电能表在畸变的电压与电流通过电磁器件的时候, 磁通不能够与波形发生相对应的变化, 这样会使得电磁转矩不与平均功率成正比, 也就是说, 使用电磁感应式电能表中若存在谐波, 就会因为不同频率的正弦电压与电流产生的电磁转矩叠加, 不能够计量谐波有功电能, 从而产生电磁感应式电能表计量上的误差。
2.2 全电子式电能表
全电子式电能表是通过对用户供电电压和电流实时采样, 采用专用的电能表集成电路, 对采样电压和电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出显示。全电子式电能表在进行数值计算的时候, 中央处理器能够采样到不同频率的并且按照正弦规律变化的电压与电流的瞬时值用来计算, 理论上, 这种计算方法能够有效地记录到电路负载当中基波与谐波总的平均功率值以及使用电量。但是在全电子式电能表实际的使用中, 会因谐波电流的流动方向与电路中负载电流所流动的方向相反, 这样就会导致一旦谐波从负载流向电网, 所得到的电能比实际会要小, 主要是因为全电子式电能表将基波的有功电能与谐波的有功电能求了代数和, 电能表所记录下来的点能量会比负载所消耗的基波电能要小, 这样全电子式电能表就会出现电能计量的误差。谐波对全电子式电能表计量的影响还会因外界条件的变化比如温度、频率、电压电流等而存在, 同时还与得到电能量的计算方法有关。
3、谐波环境下准确合理的电能计量方法
在目前的电子电力技术当中, 不使用产生谐波的设备, 现实肯定是做不到的, 那么在谐波充分存在的环境中, 准确合理地对电能进行计量, 肯定是需要采取一些方法或者措施。为了减少谐波对供电系统的影响, 最根本的思想是需要从产生谐波的源头抓起, 想办法在谐波源的附近防止谐波电流的产生, 这样来降低谐波电压。防止谐波电流产生危害, 除了采用无源组件、电容器、电抗感与电阻组成的调谐波装置来减轻谐波对电气设备的危害, 还对功率因数进行适当的补偿。在谐波环境下对电能进行准确合理的计量, 我们主要要对功率有完善的认识, 含有有用功率与无用功率。谐波所产生的功率为谐波功率也就是无用功率, 不需要计算到称量当中去;而由基波产生的基波功率为有用功率, 因此充分辨别基波与谐波各自产生的功率部分非常重要。就基波与谐波产生不同性质功率为出发点所采用的方法主要有如下几种。
3.1 采用频率陡降的电能表
频率陡降的电能表又称基波电能表, 这种电能表只对由基波产生的功率进行计量, 而不会对谐波功率有计量。它只对线性负荷有效, 不会对非线性负荷产生计量。采用这种频率陡降的电能表就能从根本上排除谐波对电能计量的影响。
3.2 采用分频技术制作的电能表
采用分频技术可以对基波电能与谐波电能及其方向分别来进行计量, 并且可以利用电费杠杆来进行调节。电用户的电费就会由三部分所组成, 第一部分为基波电费, 第二部分为产生或者发出谐波电能所应该承担的惩罚性的电费, 第三部分为能吸收或者消耗谐波电能所获得的奖励性电费。之前传统的定义当中, 把谐波电压与基波电压共同构成了有效电压, 把谐波电流与基波电流共同构成了有效电流, 这样谐波产生的功率与基波产生的功率一起构成了有效的功率。因此, 对通常用到的电压表或者电流表以及有功功率表的频率特性以固定不变为理想, 但是这样的情况, 实际上将谐波量与基波量等同对待了, 也就是说传统的计量电流、电压、功率的仪表所测量出来的数据里仍然含有谐波量, 而不能准确反映出基波的电气量。在日渐复杂的电子电气环境中, 传统观念中的电能计量仪器对电能进行计量就会出现比较大的出入。传统的电能仪器表因把谐波与基波混为一谈, 计量准确性越高, 所计量的数据越不合理, 但是我们现在采用分频技术而制成的电能表就能够比较有效地解决这个问题。利用分频技术制作的电能表不但能对负荷所消耗的基波电能进行计量, 还能计量负荷所消耗谐波电能的传递方向与大小, 这样可以对电力系统中产生谐波污染的具有非线性负荷的用户进行惩罚, 对只产生线性负荷的用户进行奖励。因此, 采用分频技术制作的电能表计量就能有效地避免谐波对电能计量的影响。
3.3 采取技术与管理两个方面的措施
在电子电力技术当中, 为减少谐波对电能计量的影响, 可以加强采取技术与管理两个方面相结合的措施来抑制。对于非线性负荷进入电力系统的准入制度需要严格加强对待, 充分落实谐波的低含量, 将其控制在国家规定的标准范围内。只有当谐波占有的含量在允许的范围之内的时候, 所计量的电能的准确性才能得到一定程度的保证。
4、结语
综上所述, 现代电力电子装置的使用带动了电力的进一步发展, 同时因为这些电子装置中存在铁磁元件、整流感等非线性设备与负荷, 从而会产生谐波。谐波的存在对电磁感应式电能表、全电子式电能表等电能计量仪表的计量产生影响, 使计量数据出现误差。如果要在谐波存在的情况下也能准确地得到电能计量, 需要采取一些方法, 主要须区分去有用功率与谐波功率。频率陡降的电能表只能对有用功率进行计量, 也就是只对线性负荷作用, 它能比较好地排除谐波的影响;分频技术的应用也能区分去基波电能与谐波电能;采取技术与管理两个方面的措施也可以有效控制谐波的影响, 严厉执行非线性负荷准入制度, 从最大程度抑制谐波的含有量, 只有谐波的含量在比较低的并且允许的范围之内的时候, 电能计量的误差就会相对小许多。谐波存在电路当中, 影响着电能计量的准确, 阻碍着电力企业的健康发展以及用户的利益保障, 所以, 我们仍需不断思考有效办法区分基波功率与谐波功率, 维护好企业与用户的利益。
摘要：电能计量的准确性影响着电力企业与电能用户的利益。本文通过分析电网中谐波产生的原因, 进一步分析了谐波对电能计量产生的影响, 最后提出了采用分频技术等方法来排除谐波对电能计量的影响。
关键词：谐波,电能计量,影响
参考文献
[1]黄带好.浅析电力系统中谐波对电能计量的影响[J]机电信息, 2010 (24) .
[2]于劲松.浅析电能计量——谐波对电能计量的影响[J]科技信息, 2010 (35) .
[3]罗灵.电力系统谐波对电能计量的影响分析[J]计量与测试技术, 2009 (02) .
[4]王永辉, 苏红梅, 史轮, 岳国义, 陶鹏.电力系统谐波对电能计量的影响[J]河北电力技术, 2009 (02) .
[5]王彩霞.谐波对电能计量的影响[J]宁夏电力, 2009 (02) .
电能计量中谐波影响因素分析 篇4
1 谐波功率和谐波源
大家都知道, 在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意义上的正弦波形, 都不同程度上存在谐波含量。由于有谐波电流和谐波电压, 那么当然还有谐波功率。类似于基波的情况, 谐波也存在着有功功率和无功功率, 其中有功功率对电力系统正常运行有直接影响, 而无功功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。
谐波有功功率产生于各种谐波源。但是, 对于任何一个谐波源而言, 他们无法发出各种谐频, 一般只发出几个主要谐波频率特征的谐波功率, 在其它谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波源发出的谐波功率净值通常为正值。主要谐波源是谐波电流源。换言之, 即使他们的端电压是正弦波形, 电流也未必是正弦波。当电源连接到基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此, 用电时基波功率不完全是为自身消耗, 而是转为谐波功率, 并被迫返回到电源系统。用户接入配电系统只需要接受有效率的基波功率, 而谐波功率不仅不是多余的, 甚至会导致发电机、电动机、变压器等发热的不利影响。
2 谐波产生的原因
谐波产生的原因主要有以下三个方面:
(1) 发电原因。发电机的三相绕组在制作时无法做到绝对的对称, 铁心也很难绝对的均匀一致, 导致发电电源质量不高, 由此产生谐波。
(2) 输配电系统原因。输配电系统中谐波主要是由变压器产生。变压器的铁心是饱和的, 磁化曲线的非线性, 再加上变压器工作磁密在磁化曲线的近饱和段上。这些原因使变压器磁化电流呈现尖项波形, 其中就包含了奇次谐波。事实证明, 变压器的铁心饱和度越高, 工作点偏离线性越远, 产生的谐波电流越大。
(3) 用电原因。用电环节的谐波是由电气设备, 特别是晶闸管整流设备产生的。目前, 晶闸管整流元件已经广泛应用于工业和人们生活中, 如电力机车、充电设备、电源开关等, 给电网造成了大量谐波。单相整流电路装置连接感性负载时含有奇次谐波电流其中3次谐波的含量可高达基波的30%;在接容性负荷时则产生奇次谐波电压, 谐波含量随电容值的增加而增加。由整流装置产生的谐波占所有谐波近40%, 这是最大的谐波源。
3 谐波对电能计量装置的误差影响
(1) 电磁感应式电能表
传统的电磁感应式电能表是按照基波来设计的。当除基波外还有高次谐波分量电压和电流时, 电能表的电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻抗发生变化, 导致工作电压磁通和电流磁通发生变化, 电磁转盘的驱动力也发生变化, 由此产生了电能表的计量误差。与此同时, 由于谐波和基波的相互叠加的形式存在, 波形发生畸变, 而电压和电流线圈的铁心是非线性的, 磁通不能随波形的变化相应成线性变化。根据电路理论可知, 只有在相同频率电压和电流相互作用才产生平均功率。电能表在畸变的电压和电流通过电磁元件之后, 磁通不与波形发生对应的变化, 导致电磁转矩不能与平均功率成正比例, 即:电磁感应式电能表在谐波存在时由于不能将不同频率的正弦电压和电流产生的电磁转矩叠加, 不能计量谐波有功电能, 从而产生计量误差。
(2) 全电子式电能表
全电子式电能表在进行数值计算时CPU可以将包含不同频率的且按照正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样计算。从理论上分析, 这样的计算方法能有效地记录负载基波和谐波的总平均功率耗用值和电量。然而, 受谐波电流的流动方向的影响 (与负载电流的方向相反) , 当谐波是从负载流向电网时, 由于全电子式电能表是将基波有功电能和谐波有功电能进行代数和, 这时记录下来的电能量比负载所消耗的基波电能还要小, 这是该电能表的最大缺点。另外全电子式电能表产生误差的原因是多方面的, 如温度、电压电流、频率等外界条件, 电压电流变换组件的分散性, 电能量的计算方法等等。这些方面的影响在存在高次谐波时均存在。
4 谐波环境下准确合理的电能计量方法
要对谐波环境下电能进行准确合理计量, 主要出发点在于区分基波 (有用) 功率与谐波 (无用) 功率。采用的方法主要有:
(1) 采用频率陡降的电能表 (基波电能表) , 仅能计量基波功率。此时, 仅对线性负荷有效, 无法对非线性负荷产生的谐波进行计量。
(2) 采用分频技术分别计量基波电能与谐波电能及其方向, 并利用电费杠杆进行调节。用户电费由三部分构成, 即基波 (实际有用的) 电费、产生或发出谐波电能所应承担的惩罚性电费、能吸收或消耗谐波电能所获得的奖励性电费。
(3) 采取技术和管理两方面的措施, 加强对非线性负荷的准入制度, 切实抑制谐波含量。当谐波含量在允许的范围内时, 电能计量的准确性能得到保证。
传统定义认为, 谐波电压 (谐波电流) 与基波电压 (电流) 共同构成有效电压 (电流) , 谐波功率与基波功率共同构成有效功率, 因此, 要求常规电压 (电流) 表及有功功率表的频率特性以固定不变为理想。其实质是将谐波量与基波量同等看待, 即谐波影响常规仪表测量的要害是不能准确反映工频 (基波) 电气量。在谐波环境下, 这种观念在对电能进行计量时是不合理的, 计量的准确性愈高则愈不合理。采用分频技术制成的电能表可有效解决这一问题。
综上所述, 谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用, 致使用户的无功功率电费支出增加, 而且对其它设备元件也产生了危害。在计量回路中应用新型的基波电能表, 采用分频技术分别计量基波电能和谐波电能, 加强非线性负荷的准入制度, 将大大降低谐波带来的电能计量误差, 维护好企业和用户的利益。
参考文献
[1]栗时平, 郑小平, 金维宇.电力系统谐波检测方法及其实现技术的发展[J].电气开关, 2004 (1) :34～35.
[2]赵伟, 吕鸿莉, 郭蕴蛟, 等.电子式电能表及其在现代用电管理中的应用[M].北京:中国电力出版社, 1999
电力谐波对电能计量影响分析 篇5
自2008年11月至2009年3月, 浚县10kV卫东线的线损持续偏高 (见表1-1) , 对所有计量装置进行现场检查测试, 没有异常。有一铸造厂新建中频炉, 一台250KVA配电变压器, 六脉动整流装置, 自2008年11月投运, 经分析谐波引起计量误差, 现场测试谐波结果见表1-2。
单位:kWh、%
时间:2009年03月24日
近年来, 随着国家产业政策的调整和家电下乡政策的不断推进, 电网中的谐波问题日趋严重, 有的谐波含量已超出了规定的范围[1], 对电力系统的安全和经济运行构成威胁, 并使电能计量误差急剧增大, 给电网经营企业带来了巨大损失。
目前, 常用的电能表大多是按反映工频正弦量来设计的, 而在谐波环境下, 非线性用户谐波有功功率与基波有功功率相反, 线性用户谐波有功功率与基波有功功率相同, 通过线性负荷的有功功率多出了谐波功率, 通过非线性负荷的有功功率则减少了谐波功率, 因而总有功电能的计量会出现很大误差[2,3]3]。
1 谐波源
1.1 谐波的基本概念[4]
在供电系统中, 通常总是希望交流电压和电流呈正弦波形.正弦电压可表示为
式中U-电压有效值;a-初相角;
ω-角频率, , f为频率, T为周期。
正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上, 其电流和电压分别为比例、积分和微分关系, 仍为同频率的正弦波。当正弦电压施加在非线性电路上时, 电流就变为非正弦波, 非正弦电流在电网阻抗上产生压降, 会使电压波形也变为非正弦波。当然, 非正弦电压施加在线性电路上时, 电流也是非正弦波。对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u (ωt) , 一般满足狄里赫利条件, 可分解为如下的傅里叶级数
式中
在式 (1-2) 的傅里叶级数中, 频率为1/T的分量称为基波, 频率为大于1整数倍基波频率的分量称为谐波, 谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。上述公式及定义适用于非正弦电流。
n次谐波电压含有率以HRUn表示
式中Un-第n次谐波电压有效值 (方均根值) ;
U1-基波电压有效值。
n次谐波电流含有率以HRIn表示
式中In-第n次谐波电流有效值 (方均根值) ;
I1-基波电流有效值。
谐波电压含量UH和电流含量IH分别定义为
电压谐波总畸变率THDu和电流谐波总畸变率THDi分别定义为
1.2 谐波源分类
电力系统中主要谐波源可分为两类:一是含半导体的非线性元件, 如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器等节能和控制用的电力电子设备;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源, 如交流电弧炉及铁磁谐振设备等。随着硅整流、电弧炉及可控硅换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加, 当正弦基波电压施加于非线性设备时, 设备吸收的电流与施加的电压波形不同, 电流因而发生畸变, 谐波电流注入到电网中, 造成电压正弦波畸变, 这些设备就成了电力系统的谐波源。
2 对谐波的限值和对计量的要求
2.1 对谐波的限值[1]
谐波电压限值:公用电网谐波电压 (相电压) 限值见表2-1。
(部分)
谐波电流允许值:公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 (方均根值) 不应超过表2-2中规定的允许值。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时, 表2-2中的谐波电流允许值的换算为:
式中Sk1———公共连接点的最小短路容量, MVA;
Sk2———基准短路容量, MVA;
Inp———表2-2中的第n次谐波电流允许值, A;
In———短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值。
同一公共接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方式如下:
式中Im———公共接点处第i个用户第n次谐波电流允许值, A;
In———按式 (2-1) 换算第n次谐波电流允许值, A;
Si———第i个用户用电协议容量, MVA;
St———公共接点供电设备容量, MVA;
α———相位迭加系数, 见表2-3。
2.2 对计量的要求
电能计量是电力系统收费的依据, 当电网电压和电流波形畸变时, 其测量误差将随着谐波的增大而增大, 从而影响用户或供电部门的利益。确定电能表基本误差的参比条件要求见表2-4。
工频整数倍数的谐波波形, 对电能计量装置的准确计量产生了较大的影响。
DL/T 614-1997《多功能电能表》对谐波影响的要求:分别将含有10%的3次、5次谐波干扰源施加在多功能电能表电压线路, 需量值误差的改变量应不超过0.2%, 程序不应紊乱, 内存数据不应丢失 (测量单元为额定工作状态) 。
3 计量电能表受谐波影响
3.1 感应式电能表受谐波的影响
在正弦交流电能计量中, 电压、电流产生的有功电能与它们间的功率因数、角频率有关。只有当同频率的正弦电压和电流在同相位的情况下才全部合成有功。当然电压和电流只有同相位部分才做有功电能, 不同频率的电流和电压之间不产生有功。只有在同频率、同相位条件下电压和电流才做有功, 即只有相同次数的谐波电流和电压才具备做有功的条件。基波电压和谐波电流是不会产生有功功率的, 因此不可能产生有功电能。
感应式电能表的频率特性范围很窄, 它的设计铁芯只能工作在45～65Hz的工频范围, 测量基波功率和电能, 随着频率增高, 误差向负方向增大, 即计量所得到的电能量减少。频率响应曲线下降主要是铝盘的等效阻抗角随着频率增高而增大所至, 由于谐波的频率远高于这个频率范围, 完全不可能用作谐波电能计量。
3.2 电子式电能表受谐波的影响
电子式电能表的数字采样测量技术的发展, 非正弦波电能计量已经完全能实现。
事实上, 一般数字乘法器电能计量芯片是先将电压、电流模拟量的幅值通过A/D转换后, 以乘法器相乘来获得有功功率瞬时值, 进行累加得到有功电能量, 因为它不可能判断电流和电压中谐波分量是否两个模拟量都有, 如都有同一次谐波产生的谐波有功应该相加, 若只有一个模拟量有该次谐波, 则不产生谐波有功就应该舍弃, 但一般电能计量芯片都作记入, 这样就产生了误差。另外, 一般电能计量芯片中的低通滤波器并不很理想, 在输入信号中仍有某些衰减的工作频率以及它的谐波, 而影响最大的就是由瞬时功率中的cos2t项造成的谐波分量, 而产生误差。
4 结束语
电能表在谐波工况下, 当谐波电能方向与基波电能相反时, 基波电能与谐波电能的代数和与标准表的总电能一致, 而消耗电能等于基波电能与谐波电能的绝对值之和。
当谐波电能方向与基波电能相同时, 消耗电能与标准表的总电能一致。
电网的谐波对电能计量的准确性有影响, 当谐波含量满足国标规定时, 误差影响微小, 当谐波含量超过国标规定时, 无论是感应式电能表还是电子式电能表, 误差影响均较大;即谐波含量愈高影响量越大, 电能计量误差也越大。
为了合理计量用户消耗的有功电能, 在选用贸易结算电能表时, 对含谐波的线路和用户, 不仅要求用户按国标要求进行谐波治理, 还应选用具有计量谐波分量电能的多功能电能表。
摘要：非线性负荷产生大量谐波注入电网后使得电力系统中的电压和电流波形产生严重畸变, 从而对电能表等产生不同程度的影响。文章介绍了谐波产生的原因及其对电能表的影响, 分析了由于谐波存在对电能表计量误差的影响, 并提出了减少电能计量误差的对策。
关键词：电力谐波,电能计量
参考文献
[1]GB/T14549-1993电能质量-公用电网谐波.北京:中国电力出版社, 2002
[2]杨啸天主编.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书.北京:中国电力科技出版社, 2006
[3]GB/T17215-20021和2级静止式交流有功电度表.北京:中国电力出版社, 2002
[4]王云亮主编.电力电子技术.北京:电子工业出版社, 2004
[5]褚大华.电子式电能表.北京:中国电力出版社, 2009
电力谐波对电能计量影响分析 篇6
电能计量受电力谐波的影响表现为:电力谐波有功功率不等于零与计量装置相应谐波功率。电能计量也受到CVT (电容式电压互感器) 频响性质影响。因此, 电能计量受谐波的影响研究可从电能设备的频率性质与评估谐波功率入手。
1.1 谐波源负荷功率
在公用电网中, 谐波源用户的谐波电能相对独立, 和其他用户无太多关系, 仅与供电网络、谐波源自身性质相关。因此, 本文以系统谐波源用户唯一为系统假定现实, 在用户接入前, 谐波源的供电母线电压应为标准正弦波, 图1、图2为供电系统和其等值图。图中, 电网向谐波源用户供给的功率为P, 实际的谐波源用户的有功功率消耗为P1, 谐波有功功率的转化耗费的基波有功功率为P2。那么, P=P1+P2为电网向谐波源用户供给的基波总有功功率, 另外, 将P2转化为Ph注入电网。设定流入母线的功率为“﹣”, 流出母线为“﹢”。母线接受谐波源电流, 电网等值阻抗为负载, 流入母线的功率即为负。P1+P2+Ph为总的谐波源负荷功率, 值小于P1+P2。因电网会受到Ph谐波功率损害, 因此, 在电网受到谐波源用户污染时, 电量也可能被少计。
式中, 电网受谐波源的h次谐波电流注入为Ih, 母线上的谐波源出现的h次相电压 (谐波电压) 为Uh, 公用电网与谐波源用户相连接位置的谐波等值电阻为Th, 谐波电流与谐波电压的夹角为φn, 取值为90°-180°。
1.2 非谐波源用户功率分析
因为存在母线谐波电压, 那么P1+Ph为非谐波源用户功率, 且。。
可见, 非谐波源用户因谐波污染, 加上P1与Ph方向相同, 电量可能多计。计量问题的出现在于存在谐波功率, 若治理谐波源用户的谐波, 阻止谐波电流向电网注入, 那么Ph=0。从而实现电网电能不受用户的污染, 也保证电能正常计量。
2 估算谐波功率
电网接收的用户谐波电流准入未被治理、合格的谐波电压含有率、合格总畸变率为估算谐波功率的前提。本文允许总畸变适度超标、谐波电压含有率符合国标上限。
2.1 估算谐波源负荷谐波的有功功率
本文以交流电弧炉负荷、三相整流负荷为讨论对象 (二者具体数据见表1, 谐波次数为h, 最大谐波含有率为, 谐波含有率为γh) 。
假设0.25-0.5为系统负载时等效阻抗的基波功率因数, 为谐波电阻, 工频电阻为R1, 那么可参照下式计算h次的谐波功率因数。
同时, Ih=HRIh·I1;Uh=U1/·HRUh。
h次的谐波源负荷基波功率因数与谐波分别是cosφn=λh与cosβ=λβ, h次的公共连接点谐波允许电压含有率为HRUh, h次的谐波用户电流含有率为HRIh。
2.2 估算线性用户功率因谐波引起的增加值
因为旋转电机负荷促内在相对速度超过同步转速, 所以, 可将转子看做为相对静止模式, 同转子堵转的工况雷同。此时漏抗为电动机主要参数, 设6倍额定电流是启动电动机电流, 那么X=U1/6I1为其基波漏抗。
5次与7次为主要母线谐波电压, 同时可实现3.2%的谐波电压标准含有率, λβ=0.85, 最大的谐波有功应在0.25%的基波有功范围, 其实, λh=cosφn<0.2, 那么, 谐波有功<5%的基波有功。
3 电能计量受电能计量装置的影响
某省通过测试区域内的三相四线电子式的电能表 (全波表与基波表) 。实验发现, 基波表仅对50Hz的基波电能计量, 排除谐波电能;而全波表则对谐波电能完全计量与基波电能部分计量, 谐波电能与基波电能数之和为电能表的显示数。
4 结语
无论是供电单位还是用户, 都要遵守国家谐波标准, 维护自身权益。因为, 若供电单位提供伪劣电能, 电能计量技术无误, 利益也难以保护。因谐波电能影响电能, 进而出现计量误差, 那么电表应尽量不受谐波电能干扰。
摘要：电能的准确计量受谐波的影响。因电网存在谐波, 电流与电压出现畸变。但非线性电磁元件构成感应式电能表, 磁通不会随之线性变动, 也就是说, 只有在频率相同的感应式电能表中, 电流、电压引起的磁通作用方可引起转矩, 电磁元件因畸变波形流通, 磁通却保持独立, 平均功率与转矩无法实现正比变化而出现误差, 无法实现精确电能表。
关键词：电力谐波,电能计量,影响分析
参考文献
[1]郭欣.解析电力谐波对电能计量影响[J].科技创新与应用, 2014, (3) :154-154.
[2]魏方兴.刍议电力谐波对电能计量影响[J].中华民居, 2013, (33) :158.
[3]刘座铭, 吕项羽, 常学飞等.电力谐波对电能计量的影响及治理措施[J].吉林电力, 2013, 41 (2) :32-34.
谐波电能 篇7
除此之外, 谐波的存在还会影响到电能计量的准确性。非线性负载消耗的功率主要是从电网中吸取的基波功率, 而同时又以负的谐波功率的形式将其中一部分回馈给电网[1], 从而造成供电企业线损增加, 使电力营运企业非经营性成本增加。为提高电网电能质量和供电效率, 查明电力谐波来源, 并对谐波开展有效治理提供依据, 有必要将基波电能与谐波电能分别计量, 并据此通过对向电网注入谐波的客户采取惩罚性计费的方式, 强制其尽快采取措施, 以减小由其注入给电网的电力谐波量, 从而保证电网的可靠运行和线性负荷客户的利益。
在这种情况下, 在谐波存在的同时依然能够进行准确的电能计量成为电力系统发电企业、输配电企业、电力用户等各方的要求。电能计量数据是供、输、用户之间进行贸易结算的依据, 它的准确与否直接影响到三者的利益以及交易的合理性。能够准确的计量基波电能和各分次谐波电能, 将成为各电力营运企业提高经营效益的一种保障。
(一) 电能计量表计
在电能计量表计方面, 目前国内电力系统中最常用的是电磁感应式电能表和全电子式电能表。电磁感应式电能表的设计是按基波考虑的, 其在谐波条件下的电能计量误差分析, 国内外已经进行了大量的理论和试验工作[2][3]。实际上, 由于非线性负载在使用中所产生的谐波电能呈负值, 而配电网中广泛使用的电磁感应式电能表的实际计量显示结果=基波电能+ (-谐波电能) =基波电能-谐波电能, 从而使得用户的计量电能表上显示的用电量小于了其实际在配电网上消耗的电能。
对于全电子式电能表, 其对电能的计量是根据电流和电压的A/D采样值来进行的, 在数值计算时由于其CPU能够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算, 从而可以有效地记录并计算出基波以及各分次谐波的功率。因此如果要实现基波电能和各分次谐波电能的分别计量, 使用全电子式电能表比使用电磁感应式电能表更有优势。
(二) 谐波电能计量的实现
1. 谐波电能计量的算法
以第m次谐波电能计量为例。实际的电压电流信号 (含谐波) 经过傅立叶正交分解, 得到包含第m次谐波的一个电压电流序列:
式中, Um为第m次谐波电压的有效值;ϖ为基波角频率;为第m次谐波的电压初相角;为第m次谐波的电流初相角。
则第m次谐波的功率因数为:
从而可以求得第m次谐波电能Em为:
2. 可实现谐波电能计量的电能质量装置
ION 7550/7650是加拿大PML公司 (Power Measurement公司) 为满足电力系统日益紧迫的电能质量监测需求研制的多功能分散式在线电能质量监测装置。ION 7550/7650具有谐波分析、电压上冲下陷记录和波形采样、闪变分析、电压不平衡度测量、事件记录、控制输出等功能, 可用来监测电能质量是否符合相应的国家标准或国际标准, 并进行控制输出。
ION 7550/7650除了具有强大的电能质量在线监测功能以外, 还具有高精度的电能计量功能, 精度可以达到0.2S级。ION 7550/7650将电流和电压采样信号 (采样率可达每周波1024点) 通过A/D转换后进行电能计量, 可以提供高精度、双向、四象限电能计量, 并可以通过一定的逻辑, 进行单独的基波电能计量和各次谐波电能计量。因为具有独特的多通信口和多通信协议, ION 7550/7650电能质量监测装置可接入任何厂家的综合自动化系统、电能质量监测系统或者电能计量系统。在大型发电厂和变电站综合自动化系统中应用ION7550/7650, 则当地监控系统、EMS、电能质量监测中心、电能计量中心可共享大量的电量监测数据、电能质量数据、甚至故障记录波形, 使ION 7550/7650的综合性能价格比非常高。
PML ION系列产品的内部功能逻辑均采用ION (Integrated Object Network) 结构实现。所谓ION结构是由很多种ION模块 (ION Module) 组成的一体化网状结构, 每种模块都执行某种特定功能, 如同一个常规电力仪表。通过将多种模块按照不同逻辑组合链接起来, 就可以实现不同的功能。
利用其内部提供的功能模块, ION 7550/7650可以很方便的根据上节中的算法实现基波以及各次谐波电能计量功能。电压和电流回路的采样数据通过A/D转换为数字信号, 再通过快速傅立叶变换算法算出谐波功率等数据 (谐波次数可选) , 这些数据通过积分模块, 就可以得到谐波电能量数据 (底码值和增量均可) 。谐波电能量数据可以保存到定时记录中, 每隔一段时间 (用户可自定义时间间隔) 进行保存, 通过专用软件读取;同时可以选择将谐波电能量数据传送到前面板上显示。
(1) 测量模块。
对实际的电压电流信号进行采样, 并将模拟量信号进行A/D转换为数字量。数据采样模块是连续工作的, 可以得到连续的电压电流波形数据序列。ION电能质量监测装置内的测量模块除了提供对三相电压通道、三相电流通道的数据采集外, 还提供对1个辅助电压通道 (可用于监测中性线电压) 和2个辅助电流通道 (可用于监测中性线电流和接地电流) 的数据采集。
(2) FFT模块。
每个FFT模块可对一个通道的波形数据序列进行FFT分解, 以用于后面的分析计算。
(3) 谐波功率模块。
利用FFT模块提供的数据, 每个谐波功率模块可对某一次特定的谐波进行深入的电压、电流水平分析, 并可以计算得到该次谐波各通道的有功功率、无功功率、视在功率、电压相角、电流相角等数据。ION电能质量监测装置内部提供对基波和2～63次谐波的谐波功率分析。
(4) 积分模块。
对谐波功率模块提供的谐波功率进行积分, 得到谐波电能。通过设置该模块的积分方式 (Int Mode) , 可以选择计算谐波电能的底码值或者增量值、输入电能或者输出电能。
(5) 定时记录模块。
ION电能质量监测装置的定时记录模块可以用来记录和存储各种各样的历史数据。存储操作可以通过指定不同的条件来启动, 如每小时存储一次。通过设置该模块的深度 (Depth) 和记录方式 (Record Mode) 等属性, 可以将重要数据长时间的保存在装置内部, 从而保证了数据的完整性。
(6) 显示模块。
可以在ION电能质量监测装置的前面板上显示任意指定的数据。
(三) 结束语
谐波对电能计量的准确性和合理性有极大的影响。对于供电系统的谐波源用户 (非线性负荷如电气化铁道、大型化工厂整流设备等) , 谐波电能往往由用户向系统传送, 这样电能计量数值可能偏小。对供电部门来说, 这将造成不应有的损失。因此将基波电能与各次谐波电能分别计量, 并且记录谐波电能方向的计量方式, 可以对供电部门掌握用户谐波电能信息、提出改进意见、制定收费标准提供科学依据。按照电力成本合理分摊的电价体系, 对吸收谐波电能的客户在电力价格或用电量上适当给予谐波分量补偿;对向电网注入谐波电能的客户要给予电力成本合理分担, 按谐波分量的比例对其用电价格进行调整或处罚, 是非常有必要的。
参考文献
[1]梁原华, 等.非线性负载的电能计量分析[J].电测与仪表, 1999, (7) :25-26.
[2]Y.Baghzouz, Owen T.Tan.Harmonic analysis of induction watthour meter[J].IEEE Trans on power apparatus and system, 1985, PAS-104 (2) :399-406.
谐波工况下的电能计量研究 篇8
在电力系统中,电力波形很难保持完美的正弦状态,尤其随着电力电子工业的发展,电力波形的畸变日益严重,由此产生的谐波问题也成为电力领域研究的热点。在电能信息量测领域,谐波也成为电能组成中不可忽视的成分。如有专门的谐波电能表来计量电能中谐波有功成分的大小[1],也有一些研究认为应该通过基波电量来进行计费[2],另外有较多文献着重点在于如何精确计量谐波电压、谐波电流以及谐波有功功率[3,4,5],但上述文献都有一个共同点,其研究的重点都集中于谐波有功功率,而谐波有功功率在总视在功率中仅占到非常小的一部分,过小的数值容易导致结果的不确定性,且不足以反映谐波对整体电能的贡献程度[6],因此,本文基于IEEE1459—2000标准提出一种谐波计量方法,用新的谐波电能指标表征谐波对整体电能的影响,从而弥补谐波有功功率在计量上无法准确反映谐波影响的不足,并将新的谐波电能指标在谐波电能表实现。仿真试验表明,该标准所提出的指标能够更加全面地反映电网中的谐波成分对整体电能的影响[7,8,9]。
1 EEE1459—2000标准
美国电子与电气工程师学会(IEEE)试行标准1459—2000是IEEE非正弦工作组总结了数年来功率定义的研究成果,对Budeanu提出的功率定义进行了完善和扩充,基于用户使用电能计费、工程经济决策和主要谐波污染测量的目的,对在三相不平衡非正弦系统情况下各电能计量指标进行了详尽的定义。IEEE1459—2000从电能组成的角度入手,分析了谐波成分在整体电能中的贡献,提出了更多地表征谐波电能成分的指标,通过这些指标可以更全面地反映实际消耗的线损、用户真正做功的电能以及谐波污染电能的程度。
2 谐波电能指标分析
2.1 谐波工况下的有无功功率指标定义
IEEE1459—2000标准主要从单相系统和三相系统2个方面提出电能计量指标。在分析这2个系统的指标之前,需要先明确IEEE1459—2000标准在非正弦电压或电流情况下对有功和无功功率的定义,以及它们之间的关系。在一般工况下,总视在功率由有功功率和无功功率组成,而在谐波工况下,有功功率和无功功率都包含各自谐波成分和基波成分,需要进一步拆解,其中有无功功率与谐波分量之间的关系如图1所示。
从图1中可以看出,传统研究关注的谐波有功功率仅占到总视在功率中很小的一部分,而谐波对无功的影响要大很多。
2.2 谐波畸变视在功率与谐波污染比
根据IEEE1459—2000标准的定义,总视在功率S与基波视在功率S1、谐波畸视在功率SN构成平方和的关系,即;同时全波电压U和全波电流I可分解为对应的谐波UH,IH和基波U1,I1成分,关系如下:
对于谐波工况下的视在功率S,可得以下关系:
UH和IH分别为总谐波电压和总谐波电流,从而可以推导出表征谐波成分对总电能影响的重要指标—谐波畸变视在功率SN,以及表征谐波成分对电能贡献程度的谐波污染比SN/S1。
式中:DI为电流畸变功率;DU为电压畸变功率;SH为谐波视在功率。
和分别表示谐波电压及电流畸变率。当THDU
在THDU≤5%,THDI≤200%情况下,SN可以进一步近似为
在谐波分量中,谐波畸变视在功率SN以及谐波污染比SN/S1是最重要的指标。它直接定量地表示了负载发送或者吸收的总谐波污染,并且为谐波补偿装置的性能评估提供了定量的标准。在一般带有谐波的电力系统中,电流畸变功率DI占SN的最大部分,电压畸变功率DU相对较小,这是因为在电力系统中,谐波一般是在负载端产生的。从交变电源端出来的正弦电压波形加在非线性负载端之后,产生了畸变电流,由于较长输电线存在一定电阻,畸变电流会在输电线电阻两端产生一定的畸变电压叠加到原电源电压上,使得电压波形有一定程度上的畸变,但是由于输电线电阻很小,总谐波电压UH很小,并且U1IH,DU=UHI1,,一般会导致电压畸变功率DU要远小于电流畸变功率DI。
在SN中,比例最小的就是谐波视在功率SH了,其包括谐波有功功率PH和谐波无功功率DH。目前的谐波分析常依赖于谐波有功功率PH,然而,根据IEEE 1459—2000标准,指标PH作用不大,并且依赖PH甚至会导致错误。这是因为谐波电压远小于基波电压,谐波电流远小于基波电流,谐波有功功率PH远远小于基波有功功率P1,过小的PH容易导致参数的测量和计算不准确,同样,由于畸变电压UH跟输电线内阻有关,但输电线内阻变化时(电线长度或者温度变化),PH也会随之发生改变,这使得依赖于这个指标进行谐波分析不可靠。所以对于非正弦的电力系统来说,一般有DI>DU>SH>PH。
根据式(5)和式(6),谐波污染比SN/S1在一定程度上可近似等于THDI,但当负载很小的时候,作为THDI计算的分母—基波电流I1很小,此时测量设备的噪声以及线路中的交流干扰信号对THDI的计算分子IH产生更加明显的影响,容易导致偏大。而对于谐波污染比SN/S1指标,由于其分母S1>>I1,因此在小负载时该指标的失真度更小,更能反映实际谐波污染的情况。
因此,谐波畸变视在功率SN以及谐波污染比SN/S12个指标比传统指标更能反映谐波对总电能成分的影响。
3 谐波电能表的实现
为实现上述指标算法,谐波表采用双CPU模式,即在现有的电表基础上,加入DSP及AD采样芯片及其外围电路,由DSP专门负责谐波数字信号运算,而另外的单片机则负责电表正常运行的所有功能,以及获取、显示DSP计算得到的谐波指标。
谐波计量可行度最高的方法即是基于FFT的检测算法。因为FFT实时性较高,只需要次计算就可以得到N个频率点的谱值分布。基于FFT的谐波检测算法流程如图2所示。
对于三相系统,对其每一相都按照上述流程图进行计算,求得各相的电压电流基波与谐波值,即可得到三相的谐波畸变视在功率指标与谐波污染比系数。
同时,通过式(4)—(6)可以看出,只需要计算得到各相电流和电压的基波值,便可以推出谐波畸变视在功率SN以及谐波污染比SN/S1。因此,可以通过FFT计算得到N个频率处的电压(电流)谱值(变换后取模),选取基波处的谱值,除以N之后,该值的2倍即为基波电压(电流)的最大幅值。同时,通过其它各次谐波的谱值与基波谱值的比例,可以得到各次谐波分量的最大幅值。
若谐波表不要求显示各次谐波大小,为节省计算量,可不必采用FFT。可以通过一个带通滤波器得到基频处的电压(电流)有效值,即可计算出上述所有指标。
4 仿真试验
为验证IEEE1459—2000所提出指标的有效性,用Matlab仿真了单相二极管整流电路,图3为仿真模型:
图中被蓝色虚线包围的是非线性负载部分,它由1个单相二极管整流电路,1个100Ω的电阻和1mH的电感构成。为模拟输电线,在输电线端加入了1个5Ω的电阻和0.1 nH的电感。
4.1 仿真试验1
设置交流源幅值为250 V,60 Hz,其有效值为176.776 7 V。设置采样频率fs为4 096Hz,时间窗为1024,仿真时间为2s。图4为仿真后1s内的电压电流模拟量和采样后的波形,表1为各次谐波电压电流的幅值比例和相位,表2为各指标的仿真结果。
注:基波量U1=172.482 2 V,I1=0.868 4 A。
从仿真结果可以看出谐波有功功率PH很小,这与IEEE 1459—2000标准一致,而其他占大部分比例的DU,DI和DH,这些都以无功的形式存在,这也说明谐波对无功功率的贡献要远大于谐波有功功率,尽管谐波畸变功率D所占比例较大,仿真例中几乎接近谐波畸变视在功率SN,但SN比D多一项SH,因此SN更能反映谐波对整体有无功功率的影响,并且比D更具物理意义。因此SN能够更好地表征谐波成分对总电能的影响;同时相对于PH,谐波污染比能更明显地反映谐波对电能的污染程度。
4.2 仿真试验2
测试小负载情况,调整负载参数使电流大幅减小,图5为仿真后1 s内的电压电流模拟量和采样后的波形,表3为各次谐波电压电流的幅值比例和相位,表4为各指标的仿真结果。
由小负载时的仿真结果可以看出,THDI明显比谐波污染比大,这是由于负载很小,基波电流I1很小,噪声干扰使IH偏大导致THDI偏大。由于谐波污染比的分母S1远远大于I1,在小负载时失真度比THD1要小,更能反映实际谐波污染的情况。
注:基波量U1=154.122 8 V,I1=0.146 1 A。
5 结语
本文从视在功率角度入手,基于IEEE1459—2000标准提出了新的谐波计量方法,重点分析了谐波计量指标中谐波畸变视在功率与谐波污染比的计算方法和意义,并分析了将该计量算法在电能表平台实现的步骤。通过仿真试验,得出以下结论:1)谐波畸变视在功率包括电流畸变功率、电压畸变功率、谐波有功功率和谐波无功功率,不再局限于传统的谐波有功功率计量,比谐波有功功率更全面地表征谐波对整体视在功率的影响,从而增加谐波电能计量的深度。2)谐波污染比是谐波畸变视在功率与基波视在功率的比值,谐波畸变视在功率内容的丰富,使得谐波污染比指标能够精确反映出谐波污染程度。
参考文献
[1]赵永胜.非线性负荷计量问题研究[D].济南:山东大学,2009.
[2]同向前,薛钧义.考虑谐波污染时用户电量的计量[J].电力系统自动化,2002,26(22):53-55.
[3]温和印,滕召胜,胡晓光,等.谐波存在时的改进电能计量方法及应用[J].仪器仪表学报,2011,32(1):157-162.
[4]于晶荣,滕召胜,吴英军.电气化铁路的谐波电能计量技术研究[J].计量学报,2009,30(3):240-244.
[5]WANG M H,SUN Y Z A Practical Method to Improve Phasor and Power Measurement Accuracy of DFT Algorithm[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(3):1054-1062.
[6]IEEE 1459—2000,Trial-Use Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal,Nonsinusoidal,Balanced,or Unbalanced Conditions[S].
[7]周伟,李岩,井永腾.换流变压器谐波损耗的计算与分析[J].高压电器,2012,(8):42-45.
[8]黄莹,黎小林.朱光友,等.换流站非特征谐波电流时域分段蒙特卡洛算法[J].高压电器,2007,(5):23-28.