电能质量问题及谐波对电能计量的影响

电能质量问题及谐波对电能计量的影响

1、电能质量问题综述

　　近年来,随着以电力电子装置为代表的非线性负载的大量使用,以微机化为代表的各种复杂精密用电设备不断普及,用户对电能质量的要求不断提高。这一问题已引起各级电力部门的高度重视,国家也颁布了有关的技术标准。合格电能质量是指提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备正常工作。

　　随着电力电子技术的发展，电力用户采用了大量时变控制的非线性设备;电能的使用范围扩大,电力用户中涌入了大量的冲击、非线性负载及不平衡负荷;新的发电方式与储能方式的推广使用、高压直流输电、新型控制方式，以及使用许多非线性元件对电能质量的要求不断提高。以上种种原因产生了电能质量问题，主要包括断电、频率偏差、电压下跌、电压上升、瞬时脉冲、电压波动、电压切痕、谐波、间谐波、过电压、欠电压等。

　　电能质量问题会对电网及用户设备造成严重的影响,主要表现为:

　　(1)电压波动

　　会使电动机转速不均匀,并危及电动机运行,影响产品质量,引起照明的“闪变”,使人眼疲劳而降低工效。电压波动和闪变还会对数字系统形成干扰,造成误动;

　　(2)电网谐波含量增加

　　导致电气设备寿命缩短,甚至损坏,网损加大,系统发生谐波谐振的可能性增加,同时可能引起继电保护和自动装置误动,仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题;

　　(3)三相电压不平衡

　　会引起电机附加振动力矩和发热、变压器漏磁增加和局部过热,电网线损增大,干扰通讯以及多种保护和自动装置误动等;

　　(4)电压暂降

　　主要影响工业生产过程中对电压敏感的电气设备(例如电子设备等)的正常工作,甚至造成严重的经济损失。因此,电压暂降已成为现代电力用户面临的严重的电磁干扰问题之一。

2、谐波对电能计量影响的分析

　　电能计量是电网经济核算的依据,其精度关系到电力供需双方的经济效益。而电力谐波的存在,使得电能计量失准,这给供用电双方都带来影响。随着电力电子技术的发展,电网中的谐波污染越来越严重,电能表是否准确、真实地反映非线性用户的用电量还是一个正在探讨的问题。因此分析研究谐波对电能计量的影响具有重要意义。

2.1 谐波对电磁式电能表的影响

　　传统的电磁式电能表是利用处在交变磁场金属中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成,由于这类电能表是按照工频正弦波设计制造的,只能保证在工频范围很窄的频带内具有较佳的工作性能。当电力系统中的波形发生畸变,感应式电能表不可避免地会产生计量误差。

　　根据图1得出:电磁式电能表的电能计量误差频率特性曲线呈迅速下降趋势;计量误差随频率的增高而增大;谐波频率为20倍频(1000Hz)左右时,误差超过了-90%;不同功率因数下的误差值有一定的差异。

从计量原理上对电磁式电能表进行分析,得出电磁式电能表在谐波条件下计量的电能一般不能正确反映用户实际使用的电能,具体如下:

　　(1)当用户为线性用户时,谐波与基波潮流方向一致,电能表计量的是基波电能和部分谐波电能,计量值大于基波电能。线性用户不但受到谐波损害,而且还要多交电费。

　　(2)当用户为非线性用户(即谐波源)时,用户除自身消耗部分谐波外,还向电网输送谐波分量,向电网输送的这部分谐波潮流与基波潮流方向相反,电能表计量的电能是基波电能和扣除这部分谐波电能,计量值小于基波电能值。非线性用户虽然污染了电网,反倒少交了电费。所以随着电网谐波的增多,人们对电能质量的要求越来越高,电磁式电能表逐步会被淘汰。

2.2 谐波对电子式电能表的影响

　　目前,电子式电能表在城市电网中已经得到普遍使用,我国的电子式电能表主要采用模拟式分割乘法器实现测量电功率和电能。随着电力系统谐波含量的不断增加,电子式电能表在谐波下的计量不可避免地出现误差。

根据图2可得出:电子式电能表具有更宽的频率响应。电子式电能表的计量误差也是随着谐波频次的升高而增加,但电子式电能表计量误差比电磁式电能表计量误差小得多,20倍频谐波的频率特性误差值不超过4%。

通过对电子式电能表进行误差分析得出:电子式电能表由于频带较宽,对基波电能和谐波电能都能较准确计量,但值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待,这样计量误差会增大。它的电能计量模型为:E=E1+∑Eh。

2.3 谐波对数字式电能表的影响

　　数字式电能表是在电子式电能表的基础上提出的,它是使用数字乘法器,采用A/D转换器将电压和电流进行数字化相乘,可以达到很高的测量准确度。数字式电能表通常在一定周期内对电压、电流信号进行采样处理,当系统频率波动时,采样周期很难达到与实际的信号频率同步,就会出现频谱泄漏和栅栏效应,使电能计算出现误差。

以下介绍几种减小采样误差的方法:

(1)先测频后采样

　　先通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率,再根据得到的频率确定采样周期进行采样和谐波分析。

(2)测频和采样同时进行

　　由于电力系统中的频率是经常波动的,所以采样时间间隔应该随着系统频率f1的波动而变化,这就是频率跟踪算法。一开始是同步采样跟踪系统频率的变化，采样频率fS不再是恒定不变的，当系统频率发生变化时，采样频率fS自动在中心采样频率fS0上下波动，通过动态调整采样周期TS来实现fS/f1=N为不变整数，以保证采样频率与信号频率同步。

(3)先采样后测频

　　这是在传统FFT算法的基础上提出的,是针对解决FFT算法在非同步采样时存在较大误差问题提出的方法,而且这两种算法可以明显地提高测量精度。

①基于修正采样序列的FFT算法:主要是用于当采样频率与系统频率不同步时，进行谐波分析。当采样不同步时,首先对原始采样序列做泰勒级数展开,忽略高阶系数,得到新序列,从而对信号采样序列进行一次修正,得到基本满足整周期采样的采样序列。然后再应用FFT进行谐波分析,计算出各次谐波的幅值和相角,得到基波功率和基波电能。

②基于插值同步化的FFT算法:它是从非同步采样数据的同步化角度寻求解决频谱泄漏问题的方法。该同步化方法的思想是在截取M个非同步采样点的基础上构造整周期的N个理想同步采样点,即通过在时域上采用插值方法得到近似理想同步采样点序列。

由于目前各种数据采样技术和算法已经发展得比较成熟,因此,数字式电能表可以在谐波存在的条件下,比较好地对电能进行计量。

3、结束语

　　总之,电能作为国民经济和人民生活的主要能源,电能计量关系到发电、供电和用电三方的经济利益,所以电能计量必须准确合理。由于电网中谐波的普遍存在,对电能计量造成了较大的影响,因此,有必要开展对这一问题的深入研究。