淺析電能計量中諧波的影響與改進措施

邵婭楠 侯傳斌

1.山東省棗莊市薛城區(qū)市場監(jiān)督管理局 山東 棗莊 277000

2.山東省棗莊高新建設(shè)集團有限公司 山東 棗莊 277000

引言

隨著電力系統(tǒng)中各種非線性負荷日益增多,加上風光新能源的并網(wǎng),電網(wǎng)中被注入越來越多的電力諧波,這不僅會影響電網(wǎng)運行過程中的電能質(zhì)量,而且會對電能計量的準確性造成很大干擾。因此,要正確認識諧波對電能計量的影響,采取切實有效的應(yīng)對措施,以改善電網(wǎng)運行過程中的電能質(zhì)量,提升諧波背景下電能計量的準確性。

1 諧波及其來源

1.1 諧波 諧波通常也稱為高次諧波,電力系統(tǒng)對諧波的定義是指對周期性非正弦交流電量(電壓或電流)進行傅里葉級數(shù)分解后,所得到的頻率是基波頻率整數(shù)倍的各次分量,這部分電量我們稱之為諧波,而基波是指頻率與工頻(50Hz)相同的電量。電網(wǎng)運行理想狀態(tài)下,電壓電流都是工頻(50Hz),但是由于非線性設(shè)備和非線性負載等的出現(xiàn),設(shè)備兩端的電壓與通過的電流不成線性(正比)關(guān)系,導致系統(tǒng)中的電壓電流波形產(chǎn)生畸變,最終造成諧波的出現(xiàn)。

如圖1所示,從左前方往右后方看,第一個波形為周期性非正弦電量,經(jīng)對其進行傅里葉級數(shù)分解后,得到緊挨其后的基波和各次諧波分量。

圖1 周期性非正弦電量和各次分量

如圖2所示,從上往下數(shù),第一個波形為基波波形,再往下依次是二、三、四次諧波波形,它們的頻率分別是基波頻率的二倍、三倍和四倍。

圖2 基波及2、3、4次諧波波形圖示例

1.2 諧波的來源 諧波源在電力系統(tǒng)中多種多樣,主要來自以下幾個方面:

(1)電源端(發(fā)電設(shè)備)產(chǎn)生的諧波:在發(fā)電機制作的過程中,由于制作工藝的影響,發(fā)電機的三相繞組很難做到使其完全的對稱,發(fā)電機的鐵心要做到絕對的均勻一致也比較很困難,致使在發(fā)電機運行過程中諧波的產(chǎn)生,不僅會影響發(fā)電機的運行效率,而且會對發(fā)電質(zhì)量、發(fā)電機的使用年限等造成影響。其次風光新能源的并網(wǎng),由于多采取交直流轉(zhuǎn)換方式,逆變器也是重要的諧波源之一。

(2)輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波:在輸配電過程中,電力變壓器是十分主要的諧波源,變壓器在設(shè)計時為了考慮其經(jīng)濟性,它的磁化曲線通常處于非線性飽和狀態(tài),致使變壓器工作時的磁化電流波形呈尖頂型波形,因而導致奇次諧波的出現(xiàn)。而且變壓器產(chǎn)生諧波的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關(guān),較高的變壓器鐵心飽和程度也容易產(chǎn)生較大的諧波電流。

(3)用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波:晶閘管整流設(shè)備,由于被廣泛應(yīng)用在充電裝置、開關(guān)電源、電力機車等許多方面,也給電網(wǎng)帶來了相當多的諧波。其次許多變頻設(shè)備、電弧爐、氣體放電類電光源、家用電器等的使用,也導致用戶側(cè)存在較多的諧波電流。

2 諧波對電能計量的影響

2.1 諧波對電能計量準確性的影響

(1)感應(yīng)式電能表:感應(yīng)式電能表作為一種通過電感應(yīng)測量元件圓盤的旋轉(zhuǎn)而工作的電能表,其設(shè)計的基礎(chǔ)是交流電基波,主要借助電磁作用力驅(qū)動計量元件動作,以實現(xiàn)電能計量的目的。為保證測量的精度,需要電壓電流頻率維持在相同大小。如有諧波出現(xiàn),則會導致表內(nèi)磁通發(fā)生畸變,相應(yīng)的電磁作用力也會出現(xiàn)偏差,導致電能計量誤差明顯加大,降低電能計量的準確性。

(2)電子式電能表:相比感應(yīng)式電能表,電子式電能表具有準確度等級高、誤差曲線平整、頻率響應(yīng)范圍寬、受外磁場影響小等優(yōu)點,實際應(yīng)用中,電子式電能表的使用更為廣泛,當其用于電能計量時,電網(wǎng)的電流和電壓都要進行測量,然后通過互感器把它們轉(zhuǎn)化為弱信號流入電表。由于其頻率響應(yīng)范圍寬,電子式電能表對于基波和諧波電能都能有效計量,對于線性用戶而言,一般是基波與諧波之和,多計算了電能,對于非線性用戶而言,由于部分諧波流入了電網(wǎng),計算的電能主要是基波電能減去流入電網(wǎng)電能,反而少計算了電能。

2.2 諧波對電能計量合理性的影響 在電網(wǎng)的實際運行中,非線性負荷大量存在,電能計量準確性必然會受到諧波的沖擊,致使我國目前使用的全能量計量方式在應(yīng)用上失去一定的合理性。比如作為重要諧波源之一的非線性用戶,由于其“制造”的諧波有部分流入了電網(wǎng),其實際計量的電能小于其實際消耗的電能,所以少支付了輸出諧波電能所產(chǎn)生的電費,這就導致了系統(tǒng)中的非諧波源用戶分攤了這部分諧波電能,同時還要為諧波電能支付電費,這顯然是不公平不合理的。

3 降低諧波對電能計量影響的措施

3.1 減少諧波出現(xiàn)的頻次 首先要從源頭上采取措施,減少諧波出現(xiàn)的頻次。一方面可以改善電力供應(yīng),通過變壓器等設(shè)備及時更換、增加系統(tǒng)供電電源、提升供電設(shè)備容量等途徑,以改善供電系統(tǒng)的供電環(huán)境,增強系統(tǒng)抗諧波干擾能力;另一方面可采用濾波器來吸收系統(tǒng)中的諧波電流,對諧波進行有效的抑制和消除。

3.2 提升諧波監(jiān)測與治理力度 加強對系統(tǒng)中諧波源的實時監(jiān)測,比如與諧波源有關(guān)的重點變電站,采用質(zhì)量檢測裝置、組建完善諧波監(jiān)測系統(tǒng),對諧波出現(xiàn)實時掌控及時處理,與此同時,也要科學規(guī)劃、避免諧波源一點接入,嚴厲控制禁止諧波含量超標的用戶接入電網(wǎng),做好非線性用戶諧波監(jiān)測工作。

3.3 增加換流裝置的相數(shù) 供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的重要來源之一是換流裝置,當換流裝置的相數(shù)增加時,其交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生的諧波次數(shù)可以在一定程度上對大幅值的低頻項進行有效控制甚至消除,從而減小諧波電流的有效值,降低諧波電流對計量裝置的影響。

3.4 選擇合適的計量點計量方式 選擇合適的電能計量點,注意避開諧波源用戶、與諧波源保持較遠距離,同時選擇諧波較小的端口安裝計量表,以降低諧波對計量裝置的影響。對于不同的計量點,根據(jù)其諧波的特點,選擇不同類型的電能表,比如對于關(guān)口電能表,選用穩(wěn)定性、精準度較高的多功能電能表,對于產(chǎn)生大量諧波的計量點選用頻率響應(yīng)范圍寬的電子式電能表。探索諧波計量新模式,分別配置基波表和諧波表,將基波電能和諧波電能進行單獨計量,但是諧波流向復雜多變,目前在實際設(shè)計應(yīng)用上存在較高難度。

4 結(jié)束語

諧波的出現(xiàn)不僅會污染供電環(huán)境,而且會影響電能計量的準確性,因此應(yīng)對電能計量中諧波的存在高度重視。本文闡述了電網(wǎng)中諧波的各種來源,通過分析諧波對電能計量的不同影響,最終提出了降低電能計量中諧波影響的有效措施,以期為諧波背景下提升電能計量的準確性提供參考。