電能質量問題及諧波對電能計量的影響

1、電能質量問題綜述

　　近年來,隨著以電力電子裝置為代表的非線性負載的大量使用,以微機化為代表的各種復雜精密用電設備不斷普及,用戶對電能質量的要求不斷提高。這一問題已引起各級電力部門的高度重視,國家也頒布了有關的技術標準。合格電能質量是指提供給敏感設備的電力和為其設置的接地系統均適合于該設備正常工作。

　　隨著電力電子技術的發展，電力用戶采用了大量時變控制的非線性設備;電能的使用范圍擴大,電力用戶中涌入了大量的沖擊、非線性負載及不平衡負荷;新的發電方式與儲能方式的推廣使用、高壓直流輸電、新型控制方式，以及使用許多非線性元件對電能質量的要求不斷提高。以上種種原因產生了電能質量問題，主要包括斷電、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、瞬時脈沖、電壓波動、電壓切痕、諧波、間諧波、過電壓、欠電壓等。

　　電能質量問題會對電網及用戶設備造成嚴重的影響,主要表現為:

　　(1)電壓波動

　　會使電動機轉速不均勻,并危及電動機運行,影響產品質量,引起照明的“閃變”,使人眼疲勞而降低工效。電壓波動和閃變還會對數字系統形成干擾,造成誤動;

　　(2)電網諧波含量增加

　　導致電氣設備壽命縮短,甚至損壞,網損加大,系統發生諧波諧振的可能性增加,同時可能引起繼電保護和自動裝置誤動,儀表指示和電度計量不準以及通信受干擾等一系列問題;

　　(3)三相電壓不平衡

　　會引起電機附加振動力矩和發熱、變壓器漏磁增加和局部過熱,電網線損增大,干擾通訊以及多種保護和自動裝置誤動等;

　　(4)電壓暫降

　　主要影響工業生產過程中對電壓敏感的電氣設備(例如電子設備等)的正常工作,甚至造成嚴重的經濟損失。因此,電壓暫降已成為現代電力用戶面臨的嚴重的電磁干擾問題之一。

2、諧波對電能計量影響的分析

　　電能計量是電網經濟核算的依據,其精度關系到電力供需雙方的經濟效益。而電力諧波的存在,使得電能計量失準,這給供用電雙方都帶來影響。隨著電力電子技術的發展,電網中的諧波污染越來越嚴重,電能表是否準確、真實地反映非線性用戶的用電量還是一個正在探討的問題。因此分析研究諧波對電能計量的影響具有重要意義。

2.1 諧波對電磁式電能表的影響

　　傳統的電磁式電能表是利用處在交變磁場金屬中的感應電流與有關磁場形成力的原理制成,由于這類電能表是按照工頻正弦波設計制造的,只能保證在工頻范圍很窄的頻帶內具有較佳的工作性能。當電力系統中的波形發生畸變,感應式電能表不可避免地會產生計量誤差。

　　根據圖1得出:電磁式電能表的電能計量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢;計量誤差隨頻率的增高而增大;諧波頻率為20倍頻(1000Hz)左右時,誤差超過了-90%;不同功率因數下的誤差值有一定的差異。

從計量原理上對電磁式電能表進行分析,得出電磁式電能表在諧波條件下計量的電能一般不能正確反映用戶實際使用的電能,具體如下:

　　(1)當用戶為線性用戶時,諧波與基波潮流方向一致,電能表計量的是基波電能和部分諧波電能,計量值大于基波電能。線性用戶不但受到諧波損害,而且還要多交電費。

　　(2)當用戶為非線性用戶(即諧波源)時,用戶除自身消耗部分諧波外,還向電網輸送諧波分量,向電網輸送的這部分諧波潮流與基波潮流方向相反,電能表計量的電能是基波電能和扣除這部分諧波電能,計量值小于基波電能值。非線性用戶雖然污染了電網,反倒少交了電費。所以隨著電網諧波的增多,人們對電能質量的要求越來越高,電磁式電能表逐步會被淘汰。

2.2 諧波對電子式電能表的影響

　　目前,電子式電能表在城市電網中已經得到普遍使用,我國的電子式電能表主要采用模擬式分割乘法器實現測量電功率和電能。隨著電力系統諧波含量的不斷增加,電子式電能表在諧波下的計量不可避免地出現誤差。

根據圖2可得出:電子式電能表具有更寬的頻率響應。電子式電能表的計量誤差也是隨著諧波頻次的升高而增加,但電子式電能表計量誤差比電磁式電能表計量誤差小得多,20倍頻諧波的頻率特性誤差值不超過4%。

通過對電子式電能表進行誤差分析得出:電子式電能表由于頻帶較寬,對基波電能和諧波電能都能較準確計量,但值得注意的是它把諧波功率和基波功率同等對待,這樣計量誤差會增大。它的電能計量模型為:E=E1+∑Eh。

2.3 諧波對數字式電能表的影響

　　數字式電能表是在電子式電能表的基礎上提出的,它是使用數字乘法器,采用A/D轉換器將電壓和電流進行數字化相乘,可以達到很高的測量準確度。數字式電能表通常在一定周期內對電壓、電流信號進行采樣處理,當系統頻率波動時,采樣周期很難達到與實際的信號頻率同步,就會出現頻譜泄漏和柵欄效應,使電能計算出現誤差。

以下介紹幾種減小采樣誤差的方法:

(1)先測頻后采樣

　　先通過測量信號波形相繼過零點間的時間寬度來計算頻率,再根據得到的頻率確定采樣周期進行采樣和諧波分析。

(2)測頻和采樣同時進行

　　由于電力系統中的頻率是經常波動的,所以采樣時間間隔應該隨著系統頻率f1的波動而變化,這就是頻率跟蹤算法。一開始是同步采樣跟蹤系統頻率的變化，采樣頻率fS不再是恒定不變的，當系統頻率發生變化時，采樣頻率fS自動在中心采樣頻率fS0上下波動，通過動態調整采樣周期TS來實現fS/f1=N為不變整數，以保證采樣頻率與信號頻率同步。

(3)先采樣后測頻

　　這是在傳統FFT算法的基礎上提出的,是針對解決FFT算法在非同步采樣時存在較大誤差問題提出的方法,而且這兩種算法可以明顯地提高測量精度。

①基于修正采樣序列的FFT算法:主要是用于當采樣頻率與系統頻率不同步時，進行諧波分析。當采樣不同步時,首先對原始采樣序列做泰勒級數展開,忽略高階系數,得到新序列,從而對信號采樣序列進行一次修正,得到基本滿足整周期采樣的采樣序列。然后再應用FFT進行諧波分析,計算出各次諧波的幅值和相角,得到基波功率和基波電能。

②基于插值同步化的FFT算法:它是從非同步采樣數據的同步化角度尋求解決頻譜泄漏問題的方法。該同步化方法的思想是在截取M個非同步采樣點的基礎上構造整周期的N個理想同步采樣點,即通過在時域上采用插值方法得到近似理想同步采樣點序列。

由于目前各種數據采樣技術和算法已經發展得比較成熟,因此,數字式電能表可以在諧波存在的條件下,比較好地對電能進行計量。

3、結束語

　　總之,電能作為國民經濟和人民生活的主要能源,電能計量關系到發電、供電和用電三方的經濟利益,所以電能計量必須準確合理。由于電網中諧波的普遍存在,對電能計量造成了較大的影響,因此,有必要開展對這一問題的深入研究。