諧波對電子式電能表計量仿真分析

(福建省興閩咨詢有限公司，福建　福州　350001)

1　引言

隨著電力系統(tǒng)電壓等級不斷增大，容量不斷增加，電網(wǎng)中的電力電子器件的廣泛運用，系統(tǒng)負荷的多元化發(fā)展，電網(wǎng)諧波的問題也隨之越來越突出。電網(wǎng)諧波不但會影響運行設(shè)備使用壽命，降低電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的可靠性，而且對電能計量的準確性產(chǎn)生很大的影響。電能計量關(guān)系到發(fā)電企業(yè)、供電企業(yè)和用戶三方的經(jīng)濟利益，電能計量的準確度對三方的持續(xù)發(fā)展具有重要作用。因此，電力諧波對電網(wǎng)電能計量的影響已受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

本文將利用MATLAB仿真軟件，深入研究電子式電能表的計量原理，并搭建電力系統(tǒng)模型，仿真研究電力諧波對電力系統(tǒng)電能計量的影響，利用仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果進一步驗證了諧波對電子式電能表計量的影響情況，并提出一種含有懲罰因子和補償因子對電能計量方法進行改進，使得電能計量更加公平、公正、合理。

2　電子式電能表計量模塊研究

目前電子式電能表主要采用數(shù)字乘法器結(jié)構(gòu)，所以本文將以數(shù)字電子式電能表為計量儀器，利用Matlab/Simulink仿真軟件，根據(jù)數(shù)字電子式電能表的計量工作原理，搭建了其計量模型，如圖1所示。

利用Subsystem功能把電子式電能表計量模塊封裝，并搭建如圖2所示的仿真電路圖來驗證計量模塊的準確性和可用性。

圖1　數(shù)字電子式電能表的計量工作原理仿真圖

(1)當電壓源只含有基波時：

仿真1s，電能計量為：

E=Pt=10000J

圖2　仿真驗證電路圖

圖3　輸出電流波形

(2)當電壓源含有3次諧波時：

仿真1s，電能計量為：

E=Pt=10100J

(3)當電壓源含有7次諧波時：

圖4　輸出電流波形

仿真1s，電能計量為：

E=Pt=10100J

分別對上訴3種情況的電路進行仿真，得出理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果相等。所以數(shù)字電子式電能表模型可以準確計量電力系統(tǒng)的全電能計量，同時對圖3～5可以看出，諧波次數(shù)越大，對基波波形的影響就越大，即基波波形的畸變率越大。但根據(jù)上文分析，全電能計量方式會造成電能計量的不公平不合理，需要進一步改善。因此本文提出一種基波功率和諧波功率分開算，然后再進行電能計量的改進方法。

圖5　輸出電流波形

3　基波功率和各次諧波功率計量的仿真研究

利用Matlab/Simulink仿真軟件,搭建內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示的功率計算模塊，從圖上可知，功率計算模塊首先利用FFT模塊提取基波和各次諧波電壓幅值和電流幅值以及電壓和電流的相角，并通過余弦函數(shù)等數(shù)學運算和matlab自帶的乘法器的積分運算，最終得到各次諧波功率的方向和大小。

利用Matlab/simulink仿真平臺搭建如圖7所示的電力系統(tǒng)，其中電源u(t)=220sin100πt，線路阻抗z1=0.1+0.0942j，線性負載z2=1+3j，非線性負載z3=1+3j。對圖7進行仿真，運行得到系統(tǒng)各元件各系諧波功率如表1、表2所示。

圖6　功率計算模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

利用電子式電能表的計量仿真模塊測得電源功率

為4275.54W，與表1所測得的各類負荷的全波功率總和4275.17W基本相等，說明了本仿真模型的準確性。

從表2中可以看出：非線性用戶實際消耗的電能為2038W，卻被計量為2032.10W；線性用戶實際消耗的電能為1739W，卻被計量為1741.91W；線路阻抗實際消耗的電能為497.9W，卻被計量為501.16W。說明了電子式電能表在諧波背景下會將基波功率和諧波功率全部計算而不加以區(qū)分，從而造成線性用戶電量被多計算，而非線性用戶電量被少計算。

圖7　諧波背景下功率計量模塊的仿真圖

諧波次數(shù)線性負載功率(W)非線性負載功率(W)線路阻抗功率(W)基波173900203800497902195-5282613047-0470474020-0070095012-0030046008-0030037005-0010028004-001001

表2　系統(tǒng)各類負荷的計量分析

注：“-”代表少計量，“+”代表多計量。

4　電能計量方式的改進

為解決諧波影響下電能計量的誤差問題，本文針對電網(wǎng)用戶中的諧波電能，提出一個改進的電能計量方法，其計量方式表達式為：

W表=W1-K1Wh++K2Wh-

(1)

式中，W表表示電能表顯示的電能值；Wh+為用戶吸收的諧波電能，Wh-為用戶導入的諧波電能；K1為補償因子系數(shù)，01，因為Wh-為負數(shù)，K2Wh-此項是對向電網(wǎng)導入諧波的用戶所采取的懲罰措施。對于K1、K2的確定，可以根據(jù)電力系統(tǒng)實際運行的電能消耗情況進行推算，取其合適的經(jīng)驗值。

運用改進電能計量方式對圖3的電力系統(tǒng)各個負載的功率損耗進行重新計量，計量結(jié)果如表3所示。

表3　系統(tǒng)各類負荷的改進計量方式結(jié)果分析

注：“-”代表少計量，“+”代表多計量。

從表3可以看出，應(yīng)用本文提出的改進計量方法對圖3的電力系統(tǒng)的各個負載進行電能計量，計量結(jié)果表明線性用戶功率由多計量變?yōu)樯儆嬃浚嬃抗β视?741.91W降低為1736.15W，計量誤差也略有下降；非線性用戶功率由少計量變?yōu)槎嘤嬃浚嬃抗β视?032.10W上升為2043.91W，計量誤差也略有下降；線路阻抗功率由多計量變?yōu)樯儆嬃浚嬃抗β视?01.16 W降低為494.70W，計量誤差略有下降；而系統(tǒng)的全波功率計量誤差變化變化不大。從而進一步驗證了本文提出的改進計量方法的能夠減少電能計量誤差，而且更能體現(xiàn)電力系統(tǒng)電能計量的合理性、公正性和公平性。

5　結(jié)語

電力系統(tǒng)諧波不僅影響著電網(wǎng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定運行，還影響著電網(wǎng)電能計量的準確度。從本文仿真分析可知，電力系統(tǒng)諧波對電網(wǎng)中不同類型的用戶的電能計量影響是不同的。諧波源的非線性用戶會向電網(wǎng)導入諧波能量，從而使得實際的有功功率消耗偏小，而線性用戶從電網(wǎng)中吸收了諧波能量，從而使得實際的有功功率消耗偏大。因此，本文提出了一種引入補償因子和懲罰因子的電能計量改進方法，使得不同類型用戶的電能計量更加公平、公正、合理。

[1]劉強,胡成群.電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中計算機對其供電質(zhì)量的要求[J].電力自動化設(shè)備,2008,28(9):119-121.

[2]黨克,張超.基于小波分析的諧波電流檢測[J].電氣開關(guān),2015,53(6):39-41,45.

[3]汪韓.諧波對電能計量帶來的影響分析[J].大科技,2014,(22):63-64.

[4]劉林,張艷華,席先鵬,等.基于PPF的配網(wǎng)諧波治理仿真研究[J].電氣開關(guān),2015,53(4):61-65.

[4]吳海芳,樊全勝.電網(wǎng)諧波對電能計量的影響研究[J].華東電力,2009,37(11):1876-1878.

[5]王望平,程航.風力發(fā)電中所產(chǎn)生的諧波及其抑制措施[J].電氣開關(guān),2015,53(3):99-100,105.

[6]王楨.電網(wǎng)諧波對電能計量的影響[J].低壓電器,2012,(22):40-45.

[7]溫和,滕召勝,胡曉光,等.諧波存在時的改進電能計量方法及應(yīng)用[J].儀器儀表學報,2011,32(1):157-162.

[8]汪韓.諧波對電能計量帶來的影響分析[J].大科技,2014,(22):63-64.