电能质量问题及谐波对电能计量的影响

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最佳的工作性能。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。最初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,最后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。

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，NEnovar研发生产了一种高端电网谐波治理产品——ECS-PQ。它完美整合了当今世界电力能源控制行业技术领域最尖端的最新的研究成果，可针对电网输送及各种用能设备进行电压、电流、电力品质等实时动态监控，适时改善用电环境的电力污染问题，提升企业整体电能效率，使电力设备的能源利用效率达到最状态，是中国能将管理和电能质量治理市场的首选产品。