諧波條件下基于計(jì)量誤差量化分析的電能計(jì)量方案

張玉霞

摘 要：電能方面的計(jì)量裝置，一般適用于計(jì)量供電企業(yè)銷售電能、用戶所消耗的電能實(shí)際數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，屬供電、用電兩方經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電能；誤差；經(jīng)濟(jì)效益

1 產(chǎn)生諧波的原因

1.1 發(fā)電原因

電站發(fā)電機(jī)中的三相繞組并不能完全對稱，在制作的過程中也不能滿足這個(gè)要求，而且繞過鐵心均勻也是比較困難的，這對發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量有很大影響，諧波也就此產(chǎn)生。

1.2 輸配電系統(tǒng)的原因

在這個(gè)系統(tǒng)中，變壓器很容易產(chǎn)生諧波，它的鐵心呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，而且磁化曲線還是非線性的，變壓器在工作的時(shí)候磁密就在曲線的飽和段上，影響著變壓器的正常運(yùn)行，這導(dǎo)致了電壓器的磁化電流出現(xiàn)了尖項(xiàng)波形，奇次諧波就在其中產(chǎn)生。通過實(shí)踐證明，如果變壓器鐵心的飽和度高的話，線性就越偏離工作的點(diǎn)位，也就非常容易有更大諧波電流產(chǎn)生；相反，就不會(huì)有很大的諧波產(chǎn)生。

1.3 用電的原因

晶閘管被廣泛用在電氣設(shè)備中，在用電的過程中，電氣設(shè)備很容易引發(fā)諧波產(chǎn)生，尤其是晶閘管材質(zhì)的整流設(shè)備。現(xiàn)在社會(huì)中，有很多電力設(shè)備都引用了晶閘管，常見的有電源的開關(guān)、電動(dòng)車、所有的充電設(shè)備等，這些都是非常容易產(chǎn)生諧波的，影響著電網(wǎng)的正常運(yùn)行。在單相整流的電路裝置與感性負(fù)載相連接的時(shí)候，就會(huì)有奇次諧波電流產(chǎn)生，最高的時(shí)候諧波要占據(jù)基波三層左右，比例非常大；而與容性負(fù)荷相連接的時(shí)候，會(huì)有奇次諧波電壓產(chǎn)生，它還會(huì)根據(jù)電容值增加的頻率有所增加；此外，還有一種最大容量的諧波源，是通過整流裝置所產(chǎn)生的，占據(jù)了基波的四層左右。

2 諧波下電能計(jì)量系統(tǒng)存在的誤差

2.1 電子類型的電能表

模擬乘法設(shè)備電能表，其工作的基本原理為：將電壓信號(hào)U及電流信號(hào)I輸入，將其轉(zhuǎn)換為乘法器的時(shí)候，可充分的接受信號(hào)，通過其獲取一段時(shí)間內(nèi)的功率。其二，把平均功勞的信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻率脈沖信號(hào)，通過頻率信號(hào)技術(shù)的方式獲取這一段時(shí)間的具體電量。通過原理進(jìn)行劃分，主要可分為分割乘法設(shè)備、霍爾乘法設(shè)備。模擬乘法設(shè)備電能表的誤差，一般會(huì)來源于模擬乘法器。輸入分割乘法設(shè)備的信號(hào)，其具有較高的諧波，這時(shí)應(yīng)結(jié)合分割乘法設(shè)備計(jì)量的基本原理輸入信號(hào)，禁止通過簡便的直流信號(hào)。

2.2 CVT諧波測量的誤差

諧波情況下，能夠有效的補(bǔ)償電抗設(shè)備、中間變壓設(shè)備、阻尼設(shè)備等，其均有可能于飽和的范圍內(nèi)，所以應(yīng)充分的考慮到其特征和性能，如非線性。我國110kV和發(fā)電廠升壓站、變電站母線和出現(xiàn)等均通過CVT。然而，相關(guān)的研究顯示CVT不能應(yīng)用到諧波的測量中，測電壓頻率出現(xiàn)一定變化的時(shí)候，存在諧波的時(shí)候，CVT通過電容分壓設(shè)備等值電容、補(bǔ)償電抗設(shè)備電感方面所構(gòu)成，這時(shí)LC串聯(lián)諧振的回路就會(huì)出現(xiàn)偏離的現(xiàn)象，致使其測量存在較大的誤差。

3 電能計(jì)量的諧波影響

3.1 電磁式電能表的諧波影響

舊式的電磁電能表是根據(jù)工頻正弦波制造來完成的，這類電能表只可以確保在小幅度變化的工頻范圍頻帶內(nèi)才能發(fā)揮最佳工作性能，如果電力系統(tǒng)波形畸變，這類電能表會(huì)發(fā)生計(jì)量錯(cuò)誤，產(chǎn)生誤差。隨著電網(wǎng)諧波不斷變多，電能質(zhì)量的要求會(huì)淘汰電磁式電能表。

分析電磁式電能表的計(jì)量原理，得出電磁式電能表處于諧波條件下計(jì)量電能通常無法正確說明用戶實(shí)際的使用電量：

（1）用戶是線性用戶，諧波與基波的方向達(dá)到一樣，電能表計(jì)量的是基波和部分諧波所和的電能，計(jì)量比實(shí)際量偏大。線性用戶既要受到諧波污染還要為此多交電費(fèi)。

（2）用戶為諧波源用戶，用戶自身消耗諧波外，還輸送電網(wǎng)諧波量，輸送的諧波潮流和基波相反，電能表計(jì)量的是基波電能減去諧波電能，計(jì)量值比實(shí)際值偏小。用戶發(fā)生諧波污染電網(wǎng)，反而少交電費(fèi)。

3.2 電子電能表諧波影響

電子電能表在城市電網(wǎng)應(yīng)用得較普遍，我國電子電能表多是選取模擬式分割乘法器完成計(jì)量電功率和計(jì)量電能。隨著諧波危害斷增加，電子電能表計(jì)量電能也會(huì)產(chǎn)生誤差。

3.3 數(shù)字電能表諧波影響

數(shù)字電能表是電子電能表的發(fā)展換代，它以數(shù)字乘法器，采用轉(zhuǎn)換器把電壓與電流數(shù)字相乘，測量準(zhǔn)確度高。數(shù)字式電能表一般在一定周期內(nèi)采樣處理電壓信號(hào)和電流信號(hào)，系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，采樣周期與實(shí)際信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)同步，就會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏，電能計(jì)量發(fā)生誤差。

4 諧波存在時(shí)電能計(jì)量的有效方法

4.1 應(yīng)用全電子式智能電能表

全電子式智能電能表在計(jì)量中存在的誤差，主要是由點(diǎn)積算法引起的，因此，對電能表進(jìn)行更新，需要從計(jì)算算法開始。應(yīng)該對電力系統(tǒng)中各次諧波的含量進(jìn)行檢測，針對諧波類型提出相應(yīng)的解決方案。當(dāng)前應(yīng)用的全電子式電能表，在計(jì)量方法上相當(dāng)復(fù)雜，必須由專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，而且生產(chǎn)成本相對較高，因此一般都是在大中型工業(yè)企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，可以有效降低諧波對于電能計(jì)量的影響。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負(fù)載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產(chǎn)生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應(yīng)的加強(qiáng)系數(shù)。這種計(jì)量方法，能夠有效避免因電能計(jì)量誤差而引發(fā)的收費(fèi)不公現(xiàn)象，同時(shí)可以利用經(jīng)濟(jì)手段，督促用戶采取相應(yīng)的措施，減少注入電網(wǎng)的諧波量。

4.2 采用頻域電能計(jì)量方法

在實(shí)際應(yīng)用中，首先，應(yīng)該對離散化的 電流和電壓信號(hào)序列進(jìn)行相應(yīng)的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對諧波分析造成的影響；其次，對加窗后的諧波電流電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換；然后，結(jié)合FFT計(jì)算方法，對頻域參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的估量和計(jì)算，以獲取電流和電壓信號(hào)中存在的諧波分量頻率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的電流電壓頻域參數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的公式，對各次諧波無功電能及有功電能進(jìn)行計(jì)算。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)

通過相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到諧波存在時(shí)的電能計(jì)量誤差數(shù)據(jù)，同時(shí)通過三角自卷積窗方式，實(shí)現(xiàn)對于基波電能的準(zhǔn)確計(jì)量，以保證電能計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

綜上所述，諧波不僅影響了輸配電和用戶電力設(shè)備的正常使用，致使用戶的無功功率電費(fèi)支出增加，而且對其它設(shè)備元件也產(chǎn)生了危害。在計(jì)量回路中應(yīng)用新型的基波電能表，采用分頻技術(shù)分別計(jì)量基波電能和諧波電能，加強(qiáng)非線性負(fù)荷的準(zhǔn)入制度，將大大降低諧波帶來的電能計(jì)量誤差，維護(hù)好企業(yè)和用戶的利益。

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