电力系统谐波对电能计量的影响分析.pdf
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1、电力系统谐波对电能计量的影响分析Electrical Power System Overtone to Electrical Energy Measurement Impact Analysis罗 灵(四川省南充市市政工程管理处,四川 南充637000)摘 要:电力系统中,非线性负载会引起交流正弦波畸变产生谐波,污染工频电网。本文对非正弦波有功电能正确计量,电子式电能表在含有谐波的电能计量中产生误差的原因进行了分析,并对电子式电能表的谐波影响检定方法作了介绍。关键词:交流电;正弦;非正弦;基波;谐波;有功电能1 正弦交流电路的电能计量正弦交流电路中正弦交变量的三个要素是幅值(有效值)、角速度(
2、频率、周期)与初相角。正弦交流电路中的瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率都与正弦交变量的三要素有关,它们的波形为图1所示:图1 瞬时功率变化瞬时电压:u=Umsin(t+1)=2Usin(t+1);瞬时电流:i=Imsin(t+2)=2Isin(t+2);瞬时功率:P=ui=UmsintImsin(t-)=2UIsintsin(t-)=UIcos-UIcos(2t-)即交流电路消耗的功率包含两部分:一部分为UIcos;另一部分为-UIcos(2t-),它是以两倍于电源频率的频率随时间作正弦变化的分量。有功功率:P=1TT0pdt=UIcos有功电能:W=21pdt式中Um,Im为电压、电流的幅值(最
3、大值);为角频率:=2f=21T(T为周期);1、2为电压、电流的初相角;为电流初相角与电压初相角之差(功率因数角)。由此可见,在正弦交流的电能计量中,电压、电流产生的有功电能与它们间的功率因数角、角频率 有关。只有当同频率的正弦电压和正弦电流在同相位的情况下才全部合成有功。当然大家对电流、电压只有同相位部分才做有功电能都非常清楚,但是往往对同频率这个关键会被疏忽。我们必须指出:“不同频率的电流、电压之间不产生有功”,5010Hz的额定电压和5011Hz的满度电流是不产生有功的。当电流和电压频率不一样,那么它们之间相位始终是在变化着的,就不可能确定功率因数值。这个基本概念是决定我国目前进行谐波
4、电能正确计量问题的关键所在。由于感应式电能表的频率特性范围很窄,它的铁芯只能工作在(4565)Hz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就减少。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。由于高次谐波的频率远远高于这个频率范围,故不可能计量谐波电能,因此在使用感应式电能表时就不用讨论谐波计量技术。然而随着电子式电能表新技术不断发展,使其频率特性可以达到极宽的频率范围,谐波电能计量就成为大众关注的焦点。在有谐波的情况下,如何测量功率和计量电能以用来进行收费结算,这个问题和谐波标准密切相关,是一个关键的基础理论问题。2 非线性负载的危
5、害性以前所用电器一般都是电工机电式的,是铁芯和电磁线圈组成的负载,这种负载常常称为线性负载。而所有的半导体元件都属于非线性负载。顾名思义:非线性负载的负载特性为电压增加与电流变化不成比例关系,例如半导体器件二极管在阻断状态(反向电压下)时仅有极小的漏电流,因此在电压正弦波过零前后时并不导通,当瞬时电压值高于二极管结压降时才导通;二极管导通时当达到饱和时即电压升高而电流增加很快,一旦超过最大允许电流时即被软击穿或超过二极管耐压时被硬击穿,因此形成如图2所示的波形,所以它是非线性的。10计量与测试技术2009年第36卷第2期 1994-2009 China Academic Journal Ele
6、ctronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 二极管福安特性在电力生产运行中,由于用户的非线性负载对电网产生了严重的有害影响。主要原因是这些负载产生大量的高次谐波电流,而单相非线性负载还产生不对称的高次谐波和不平衡负载,造成电网电压波形严重畸变和三相不平衡。工频换流变压器严重过载,可使供电系统的电能利用率降低约1/3。这种现象不论对电力系统的发电、输电、配电设备和继电保护、自动控制装置,还是和连接至电网的各类用户的用电设备以及对音频控制系统、通讯线路和计算机均产生干扰,使线路照明闪烁、增加交流系统中旋转电机和其它电气元件的附加谐波损
7、耗与发热,缩短其使用寿命,产生程度不同的有害影响。发电机长期带大量的不平衡负载,网损、线损成倍增加。并且还会造成自动控制装置失灵和继电保护(尤其是利用负序量的保护)出现拒动和误动作。电容补偿装置的谐振和谐波电流的放大,严重时将造成设备损坏:使常用电气测量仪表误差增大,严重时发生错误指示:使用户的实际用电量与计费电能表的计量数相差甚远,供电系统蒙受严重经济损失。因此在国际上许多国家都先后对电网电压的畸变、各次谐波电压电流的数值、测量方法和非线性负载的管理等制定了相应的规定或标准,加以严格的限制。国际大电网会议(CIGRE)、国际电工学会(IEC)及各国都成立了专门工作组正在对电力系统和电工产品的
8、谐波标准问题进行研究,纷纷制定出相应的标准和提出限制规定。目前国际上已公认谐波源是污染电力系统的公害,不容忽视,必须采取措施加以限制。我国在过去对电网中谐波问题未加以重视和研究,但从上世纪80年代开始,由于电气化铁路的大量建成以及冶金、化工、有色金属、煤炭工业部门大量引进了国外设备和发展了硅整流技术,不少电网的高次谐波分量数值已大大超过了国际上公认的标准值。根据国电公司中国电力科学研究院和各省电力试验研究院(所)对各地电网系统测试的结果来看,电网谐波污染问题已很严重,对电力系统的一些设备已产生严重的危害。因此在1993年制定了有关谐波的规定 国标GB/T145491993电能质量公用电网谐波
9、和GB/T155431995电能质量三相电压允许不平衡度,并且采取了恰当的限制和监督措施、管理办法。对于工频电网畸变波形 非正弦波的电能计量成为大家关心的课题,为了把这个问题说清楚,我们从谐波的形成说起。3 谐波的产生在电力电子装置出现以前,变压器是主要的谐波源,它是以3次谐波为主的奇次谐波,其量值很小,是很有限的谐波源。目前由变压器所产生的谐波由于量少已退居很次要的地位,而各种电力电子装置已成为最主要的谐波源,并且还是丰富的多次谐波的组合。电力电子技术的应用不外乎采用整流二极管作整流器件,把交流电变换成直流电,因此整流二极管工频整流也就成为电力电子的最基本、最普遍的电能形态AC/DC变换形式
10、。众所周知,像一般的开关电源电子整流器及变频调速器、直流电力机车、电化学工业整流等装置,都优先采用桥式整流器和大电容器滤波作为AC/DC变换器,由于大容量滤波电容器的存在,使二极管的导通角变得很小,只在交流电压正弦波的最大值附近才开始导通,因此造成交流输入电流波形严重畸变,三次谐波有时可能超过基波的以上,呈窄尖峰脉冲(见图3),故线路功率因数极低,通常在016以下。图3 全波整流的交流输入电压、电压波形由非线性整流元件使输入交流线路上的电流is不再是交流正弦波形。利用傅立叶公式对周期畸变波形作频域变换,交流进线电流is可以表示为工频基波分量(is)1(见图3中虚线所示)和与频率为工频整数倍的谐
11、波分量(还有次谐波分量)之和。假定电源电压为纯正弦波,则仅有基波电流才可能传输平均功率,因为它们频率相同,相位不等于90,产生的平均功率不为零。这种情况下这里整流器的平均输出功率等于电源电压均方根值和进线电流基波均方根值(is)1的乘积,再乘以(is)1滞后于US的 相 位 角 1的 余 弦cos1。即:P=Us(is)1cos1视在功率为:S=USIS 式中US、IS都是有效值。功率因数定义为:PF=有功功率视在功率=PS从上式可得到:PF=US(Is)1cos1UsIs当进线电流is畸变严重,则电流比值(is)1/Is就越小,即使相移功率因数DPF接近于单位1,整流器的功率因数PF仍然很低
12、。在A C/DC变换电路中,略去谐波电流的二次效应,可以认为输入电压为正弦,输入电流为非正弦,这里电流有效值为:罗灵:电力系统谐波对电能计量的影响分析11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Is=n=1(Is)2n=(Is)21n=2(IS)2n式中(Is)n是第n次谐波电流的有效值。设基波电流滞后输入电压的角度为1,则:PF=US(Is)1cos1UsIs=(is)1Iscos1=KdK式中:Kd=(Is)/Is是电流波形畸变因子;Kd(=cos1)是相
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