三相不平衡系統(tǒng)功率因數(shù)準(zhǔn)確計(jì)量方法的研究

孫波

摘 要：針對(duì)三相不平衡系統(tǒng)下功率因數(shù)正確計(jì)量尚未達(dá)成統(tǒng)一的問(wèn)題，利用MALTAB對(duì)3種不同的功率因數(shù)計(jì)量方法建立仿真模型，理論分析3種不同標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)的計(jì)量方法。通過(guò)對(duì)比3種不同功率因數(shù)計(jì)量方法下視在功率平方與線路損耗的線性度關(guān)系，得到能正確反映線路損耗的功率因數(shù)計(jì)量方法。實(shí)例分析表明在三相不平衡系統(tǒng)情況下，現(xiàn)有的功率因數(shù)計(jì)量方式存在很大的問(wèn)題，等效功率因數(shù)能準(zhǔn)確反映線路損耗大小，為電能計(jì)量的正確考核提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 三相不平衡 等效功率因數(shù)

中圖分類號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0014-03

近年來(lái)，隨著交流電弧爐、電力機(jī)車等不平衡負(fù)荷日益增多，使供電系統(tǒng)的三相不平衡現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重。三相不平衡系統(tǒng)影響電氣設(shè)備的正確運(yùn)行，影響電能的正確計(jì)量，影響供電部門(mén)對(duì)電力用戶的正確考核。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外目前的電能計(jì)量方式都沒(méi)有考慮到系統(tǒng)不平衡下對(duì)電能計(jì)量的影響，所以只適用于三相平衡系統(tǒng)下的電能計(jì)量[1]，針對(duì)目前的三相不平衡系統(tǒng)越來(lái)越嚴(yán)重，選擇一種能夠正確估計(jì)電網(wǎng)中的線路損耗，在三相不平衡系統(tǒng)下正確計(jì)量功率因數(shù)的方法對(duì)電能的正確計(jì)量具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外也越來(lái)越重視三相不平衡系統(tǒng)下功率因數(shù)準(zhǔn)確計(jì)量的研究，開(kāi)展了一系列的研究工作，并取得了一些成果，文獻(xiàn)[2-4]提出了3種不同的功率因數(shù)計(jì)量方法。

到目前為止，針對(duì)三相不平衡系統(tǒng)下的功率因數(shù)正確計(jì)量還沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一，哪種功率因數(shù)計(jì)量方式能夠公平合理地對(duì)電力用戶進(jìn)行考核還存在許多爭(zhēng)議。為此，該文通過(guò)分析幾種不同功率因數(shù)計(jì)量方式在三相平衡系統(tǒng)下和三相不平衡系統(tǒng)下對(duì)線路損耗的理論計(jì)算和實(shí)際的對(duì)比，可以得到等效功率因數(shù)能夠準(zhǔn)確有效地計(jì)算功率因數(shù)，反映實(shí)際的電網(wǎng)損耗，對(duì)電能的正確計(jì)量和系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償研究具有指導(dǎo)意義。

1 三相三線系統(tǒng)功率因數(shù)的計(jì)量研究

1.1 三相三線系統(tǒng)圖

假設(shè)系統(tǒng)的三相電源對(duì)稱，且三相三線系統(tǒng)圖如圖1所示。

下面通過(guò)上述分析的不同功率因數(shù)計(jì)量方式，對(duì)不同的功率因數(shù)計(jì)量方式建立Matlab仿真模型。現(xiàn)在保持電源電壓和線路阻抗都不變，通過(guò)改變負(fù)載從而改變負(fù)載電流來(lái)改變線路的損耗，得到一組不同計(jì)量方式的視在功率值，通過(guò)對(duì)上面的線路損耗ΔP和不同視在功率下進(jìn)行線路模擬，可以得到系統(tǒng)線路損耗與視在功率的平方的關(guān)系如圖2～圖4所示。

由上面的Matlab仿真結(jié)果可以得出，和ΔP的線性度比較好，而與ΔP的線性度是最差的。所以在功率因數(shù)計(jì)量方式中，等效功率能夠更準(zhǔn)確地反映線路的損耗，因而等效功率因數(shù)也更能體現(xiàn)線路的利用率。

5 實(shí)例分析

對(duì)鐵路牽引系統(tǒng)110 kV側(cè)火車單行通過(guò)時(shí)進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，得出鐵路牽引系統(tǒng)110 kV側(cè)三相電流波形如圖5所示。

由測(cè)試結(jié)果得出，鐵路牽引系統(tǒng)110 kV側(cè)的功率因數(shù)為0.95，滿足功率因數(shù)的限制要求。但通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算等效功率因數(shù)為0.68，不滿足功率因數(shù)的限制要求。可以看出現(xiàn)有的電能計(jì)量方式存在很大的問(wèn)題，在三相不平衡情況下，其現(xiàn)有功率因數(shù)計(jì)算值和等效功率因數(shù)的計(jì)算結(jié)果誤差較大，現(xiàn)有功率因數(shù)計(jì)量方法不能準(zhǔn)確地反映線路的損耗大小。

6 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)理論分析得出在三相不平衡系統(tǒng)中，等效功率因數(shù)能夠很好地反映線路的利用率和系統(tǒng)負(fù)荷平衡情況。文中的等效功率因數(shù)在三相不平衡系統(tǒng)中能夠準(zhǔn)確有效地反映系統(tǒng)功率因數(shù)，對(duì)電能的正確計(jì)量和對(duì)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償研究具有非常重要的意義。實(shí)例分析表明電力機(jī)車現(xiàn)有功率因數(shù)計(jì)量不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償，希望通過(guò)該文的初步結(jié)論能夠引發(fā)對(duì)功率因數(shù)正確計(jì)量的深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 李靜.電能計(jì)量系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2009，37（11）：130-134.

[2] Alexander Eigeles Emanuel. On the definition of power factor and apparent power in unbalanced polyphase ciruits with sinusoidal voltage and currents [J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（3）：841-852.

[3] P S Filipski. Polyphase apparent power and factor under distorted waveform conditions [J].IEEE Transactions on Power Delivery，1991，6（3）：1161-1165.

[4] A E Emanuel. The Buchholz-Goodhue Apparent Power Definition： The Practical Approach for Nonsisusoidal and Unbalanced Systems [J].IEEE Transactions on Power Delivery，1993，8（3）：841-852.

[5] 黃曉青.非正弦非平衡電力系統(tǒng)視在功率研究[J].繼電器，2006，32（12）：30-34.

[6] 李可軍.三相不平衡電力系統(tǒng)的潮流雙解研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（11）：62-66.

[7] Buchholz F. Die drehstrom-scheinleistung bei ungleichmassiger belastung der drei zweige [J]. Licht und Kraft，1922，11（1）：9-11.

[8] Emanuel A E. Apparent power definitions for three-phase systems [J].IEEE Transactions on Power Delivery，1999，14（3）：767-772.

[9] Depenbrock M， Staudt V. Discussion to Practical definitions for powers in systems with non-sinusoidal waveforms and unbalanced loads [J].IEEE Transactions on Power Delivery， 1996，11（1）：89-90.

[10] Emanuel A E. On the assessment of harmonic pollution [J].IEEE Transactions on Power Delivery，1995，10（3）：1693-1698.

[11] Alessandro Ferrero， Gabrio Superti Furga. A new approach to the definition of power components in three-phase systems under nonsinusoidal conditions [J].IEEE Trans. Instr，1991，40（3）：568-577.