非線性負(fù)荷中電能計(jì)量方式的研究

沈明炎, 肖娜麗

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

1 引言

隨著國家對(duì)“中國制造2025”的大力推進(jìn)，工業(yè)高新技術(shù)蓬勃發(fā)展，電力電子技術(shù)不斷突破提升，如電弧爐、整流器、變頻調(diào)速裝置、熒光燈及各類電力電子設(shè)備等諸多非線性負(fù)荷得以廣泛使用，從而致使電力系統(tǒng)中因這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波在迅速增加，使得電力系統(tǒng)電壓、電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變，對(duì)電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及用戶端產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。電力系統(tǒng)中，非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的電力諧波會(huì)影響電能表對(duì)電量的準(zhǔn)確計(jì)量，由于電能計(jì)量是電網(wǎng)公司進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù)，電能的計(jì)量精度直接關(guān)系到電力供需雙方的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]，從而影響發(fā)電企業(yè)、輸配電企業(yè)和用戶之間交易的公平性和合理性。因此為確保電能計(jì)量精確可靠，研究非線性負(fù)荷下電能表的計(jì)量性能具有重要的理論和實(shí)際意義。

2 非線性負(fù)荷的特性簡析

非線性負(fù)荷是指電流波形與其電壓波形不具備線性表示關(guān)系，具有非線性伏安特性的負(fù)荷，其電流波形因負(fù)荷的特性而發(fā)生畸變，不呈正弦波形形態(tài)，可以從中分解出一系列高次諧波[3]。工作在深度飽和狀態(tài)的鐵芯設(shè)備、電子開關(guān)電源、電弧爐等都是非線性負(fù)荷。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)公式展開，可以得到非線性負(fù)荷的電量由三部分分量相互疊加組成，分別為直流分量、基波分量和n個(gè)k倍于基波分量的諧波分量。根據(jù)電工學(xué)理論，k倍于基波的分量，稱為諧波，表達(dá)式如式1所示，其中k表示諧波次數(shù)。

在交流系統(tǒng)中，直流分量通常可以忽略，即。則非線性負(fù)荷系統(tǒng)的電壓和電流為基波和諧波疊加而成，則功率也是由基波功率和諧波功率兩部分組成，表達(dá)式如式2所示[4]。

諧波負(fù)功率產(chǎn)生原理可根據(jù)非線性負(fù)荷的等效網(wǎng)絡(luò)模型來分析，如圖l所示。

圖1 非線性負(fù)荷的等效網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)能量守恒定則，電源所發(fā)功率應(yīng)該等于網(wǎng)絡(luò)中各部分功率之和，表達(dá)式如式3所示。

通常情況下，電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷，在吸收基波功率的同時(shí),將其中一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率注入系統(tǒng)，成為系統(tǒng)的諧波源，即。用電用戶所消耗的功率由兩部分組成，其中一部分為從電網(wǎng)中吸收的基波功率，另一部分為向電網(wǎng)反饋的諧波功率[5]。由于非線性負(fù)荷的諧波功率會(huì)反饋回電網(wǎng)，既浪費(fèi)了電力資源，又對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生危害。

3 非線性負(fù)荷中電能表的計(jì)量性能

正弦交流電的有功功率。當(dāng)負(fù)荷為非線性元件時(shí)，其負(fù)荷所消耗的電功率包括基頻功率和一系列的諧波功率[6]。根據(jù)電工學(xué)理論，非線性負(fù)荷功率可以用傅里葉級(jí)數(shù)展開，表達(dá)式如式4所示。

電能表根據(jù)其工作方式的不同，可分為電磁感應(yīng)式電能表和電子式電能表，這兩類電能表在計(jì)量非線性負(fù)荷的電功率會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，電磁感應(yīng)式電能表通過磁感應(yīng)原理來進(jìn)行電能計(jì)量的，依靠感應(yīng)磁力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量；電子式電能表則是利用集成電路運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量。

3.1 電磁感應(yīng)式電能表的計(jì)量性能

電磁感應(yīng)式電能表是通過電流和電壓兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生不同相位的交變磁場，渦流與磁場驅(qū)動(dòng)鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。電磁感應(yīng)式電能表只能計(jì)量工頻頻率的交流電能部分，對(duì)于電能所含直流分量則使鐵芯飽和，使鋁盤制動(dòng)，影響計(jì)量。電磁感應(yīng)式電能表對(duì)高次諧波電能同樣不能準(zhǔn)確計(jì)量，由于高頻電量會(huì)使鐵芯產(chǎn)生高頻磁通，繼而影響到工頻磁通。同時(shí)，由于鋁盤含有感性成分，高頻電量會(huì)使阻抗角變大，磁路磁阻增加，線圈磁通減少，導(dǎo)致鋁盤驅(qū)動(dòng)力矩減小，使電能計(jì)量失準(zhǔn)。

因受感應(yīng)式電能表的原理特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，其計(jì)量的頻率范圍較窄，只在50Hz的正弦電壓和電流下才具備較好的計(jì)量性能。若電壓和電流的波形偏離正弦波時(shí)，則電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度將大幅下降。

3.2 電子式電能表的計(jì)量性能

電子式電能表是利用電能專用計(jì)量芯片及其外設(shè)電路構(gòu)建而成，其原理是通過電壓電流采樣電路將交流電信號(hào)采集電能專用計(jì)量芯片，計(jì)量芯片則完成差分放大、A/D轉(zhuǎn)換、乘法運(yùn)算、P/F轉(zhuǎn)換等工作，最后將電能計(jì)量數(shù)據(jù)輸送CPU，以供顯示和存儲(chǔ)。電子式電能表具有較寬的頻率響應(yīng)[7]，根據(jù)計(jì)量需求，電子式電能表可分成基波電能表和多功能電能表。

電子式多功能電能表對(duì)諧波功率和基波功率具有相同的響應(yīng)特性，能同時(shí)計(jì)量基波功率和諧波功率。在電能計(jì)量過程中，分別采樣電壓和電流的瞬時(shí)值并作積分運(yùn)算，所計(jì)量的電能是基波電能和諧波電能的代數(shù)和。由此可知，電子式多功能電能表屬于全電能計(jì)量方式。對(duì)于非線性負(fù)荷，會(huì)向電網(wǎng)回送與基波功率方向相反的諧波分量，電子式多功能電能表所計(jì)量的是總電能量，即基波電能量扣除諧波電能量，其值小于基波電能量。

電子式基波電能表只用于計(jì)量工頻有功電能量，其采集的電壓電流信號(hào)通過相位校正和高通濾波，基本可過濾掉直流分量和諧波分量，將經(jīng)過處理的正弦信號(hào)通過乘法器運(yùn)算，得到計(jì)量的有功電能量。通過計(jì)量的工作原理可知，電子式有功電能表在計(jì)量工作中，不計(jì)量直流功率分量和諧波功率分量。因此此類電能表能夠除去直流分量和諧波分量所消耗的功率，只計(jì)量非線性負(fù)荷的有功功率，能夠準(zhǔn)確計(jì)量負(fù)荷實(shí)際消耗的有功電功率。

4 非線性負(fù)荷中計(jì)量方式研究

根據(jù)現(xiàn)行通用的電能表計(jì)量方式，電能表能夠準(zhǔn)確有效地計(jì)量總電能量，當(dāng)用電系統(tǒng)中存在非線性負(fù)荷時(shí)，不僅會(huì)吸收基波功率與諧波功率，而且會(huì)反向用電系統(tǒng)注入一部分諧波功率。此時(shí)用戶實(shí)際消耗電能量就會(huì)與電能表所計(jì)量的總電量不相符合，非線性負(fù)荷用戶的一部分用電消耗會(huì)分?jǐn)偨o線性負(fù)荷用戶，出現(xiàn)用電計(jì)費(fèi)不合理現(xiàn)象。

文中對(duì)電能表在非線性負(fù)荷中的計(jì)量性能的研究，通過比較分析，感應(yīng)式電能表和電子式多功能電能表在計(jì)量非線性負(fù)荷時(shí)，均達(dá)不到準(zhǔn)確計(jì)量實(shí)際用電情況的效果。如果能夠同時(shí)分別計(jì)量基波電能及諧波電能，既可以準(zhǔn)確計(jì)量非線性負(fù)荷的實(shí)際有功用電，又可以計(jì)量反向注入電網(wǎng)的諧波電能，因此采用電子式基波電能表和諧波電能表組合計(jì)量非線性負(fù)荷用電的方式，能夠更為科學(xué)合理地計(jì)量非線性負(fù)荷用戶的實(shí)際用電情況。通過以上計(jì)量方式，可以促使非線性負(fù)荷用戶積極采取措施抑制諧波，提高電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，減少系統(tǒng)內(nèi)其他用戶設(shè)備受到危害。

5 結(jié)語

針對(duì)非線性負(fù)荷的用電特點(diǎn)，文中分析了電能表在非線性負(fù)荷中的計(jì)量性能，結(jié)合非線性負(fù)荷的特點(diǎn)，分析比較得出對(duì)于非線性負(fù)荷用戶應(yīng)當(dāng)采用基波電能和諧波電能綜合計(jì)量的電能計(jì)量方式，能更為精細(xì)、科學(xué)和公平地計(jì)量非線性負(fù)荷用戶的實(shí)際用電情況。此方式對(duì)于非線性負(fù)荷的電能計(jì)量較為合理科學(xué)，對(duì)進(jìn)一步解決非線性負(fù)荷對(duì)電能計(jì)量影響，研究新計(jì)量方式或新電費(fèi)計(jì)算方式都有一定的參考價(jià)值。

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