谐波对电子式电能表计量仿真分析
2017-04-20
(福建省兴闽咨询有限公司，福建 福州 350001)
1 引言
随着电力系统电压等级不断增大，容量不断增加，电网中的电力电子器件的广泛运用，系统负荷的多元化发展，电网谐波的问题也随之越来越突出。电网谐波不但会影响运行设备使用寿命，降低电力系统安全稳定运行的可靠性，而且对电能计量的准确性产生很大的影响。电能计量关系到发电企业、供电企业和用户三方的经济利益，电能计量的准确度对三方的持续发展具有重要作用。因此，电力谐波对电网电能计量的影响已受到国内外广泛关注。
本文将利用MATLAB仿真软件，深入研究电子式电能表的计量原理，并搭建电力系统模型，仿真研究电力谐波对电力系统电能计量的影响，利用仿真的数据结果进一步验证了谐波对电子式电能表计量的影响情况，并提出一种含有惩罚因子和补偿因子对电能计量方法进行改进，使得电能计量更加公平、公正、合理。
2 电子式电能表计量模块研究
目前电子式电能表主要采用数字乘法器结构，所以本文将以数字电子式电能表为计量仪器，利用Matlab/Simulink仿真软件，根据数字电子式电能表的计量工作原理，搭建了其计量模型，如图1所示。
利用Subsystem功能把电子式电能表计量模块封装，并搭建如图2所示的仿真电路图来验证计量模块的准确性和可用性。
图1 数字电子式电能表的计量工作原理仿真图
(1)当电压源只含有基波时：
仿真1s，电能计量为：
E=Pt=10000J
图2 仿真验证电路图
图3 输出电流波形
(2)当电压源含有3次谐波时：
仿真1s，电能计量为：
E=Pt=10100J
(3)当电压源含有7次谐波时：
图4 输出电流波形
仿真1s，电能计量为：
E=Pt=10100J
分别对上诉3种情况的电路进行仿真，得出理论计算结果与仿真结果相等。所以数字电子式电能表模型可以准确计量电力系统的全电能计量，同时对图3～5可以看出，谐波次数越大，对基波波形的影响就越大，即基波波形的畸变率越大。但根据上文分析，全电能计量方式会造成电能计量的不公平不合理，需要进一步改善。因此本文提出一种基波功率和谐波功率分开算，然后再进行电能计量的改进方法。
图5 输出电流波形
3 基波功率和各次谐波功率计量的仿真研究
利用Matlab/Simulink仿真软件,搭建内部结构图如图6所示的功率计算模块，从图上可知，功率计算模块首先利用FFT模块提取基波和各次谐波电压幅值和电流幅值以及电压和电流的相角，并通过余弦函数等数学运算和matlab自带的乘法器的积分运算，最终得到各次谐波功率的方向和大小。
利用Matlab/simulink仿真平台搭建如图7所示的电力系统，其中电源u(t)=220sin100πt，线路阻抗z1=0.1+0.0942j，线性负载z2=1+3j，非线性负载z3=1+3j。对图7进行仿真，运行得到系统各元件各系谐波功率如表1、表2所示。
图6 功率计算模块的内部结构图
利用电子式电能表的计量仿真模块测得电源功率
为4275.54W，与表1所测得的各类负荷的全波功率总和4275.17W基本相等，说明了本仿真模型的准确性。
从表2中可以看出：非线性用户实际消耗的电能为2038W，却被计量为2032.10W；线性用户实际消耗的电能为1739W，却被计量为1741.91W；线路阻抗实际消耗的电能为497.9W，却被计量为501.16W。说明了电子式电能表在谐波背景下会将基波功率和谐波功率全部计算而不加以区分，从而造成线性用户电量被多计算，而非线性用户电量被少计算。
图7 谐波背景下功率计量模块的仿真图
谐波次数线性负载功率(W)非线性负载功率(W)线路阻抗功率(W)基波173900203800497902195-5282613047-0470474020-0070095012-0030046008-0030037005-0010028004-001001
表2 系统各类负荷的计量分析
注：“-”代表少计量，“+”代表多计量。
4 电能计量方式的改进
为解决谐波影响下电能计量的误差问题，本文针对电网用户中的谐波电能，提出一个改进的电能计量方法，其计量方式表达式为：
W表=W1-K1Wh++K2Wh-
(1)
式中，W表表示电能表显示的电能值；Wh+为用户吸收的谐波电能，Wh-为用户导入的谐波电能；K1为补偿因子系数，0
运用改进电能计量方式对图3的电力系统各个负载的功率损耗进行重新计量，计量结果如表3所示。
表3 系统各类负荷的改进计量方式结果分析
注：“-”代表少计量，“+”代表多计量。
从表3可以看出，应用本文提出的改进计量方法对图3的电力系统的各个负载进行电能计量，计量结果表明线性用户功率由多计量变为少计量，计量功率由1741.91W降低为1736.15W，计量误差也略有下降；非线性用户功率由少计量变为多计量，计量功率由2032.10W上升为2043.91W，计量误差也略有下降；线路阻抗功率由多计量变为少计量，计量功率由501.16 W降低为494.70W，计量误差略有下降；而系统的全波功率计量误差变化变化不大。从而进一步验证了本文提出的改进计量方法的能够减少电能计量误差，而且更能体现电力系统电能计量的合理性、公正性和公平性。
5 结语
电力系统谐波不仅影响着电网的电能质量和安全稳定运行，还影响着电网电能计量的准确度。从本文仿真分析可知，电力系统谐波对电网中不同类型的用户的电能计量影响是不同的。谐波源的非线性用户会向电网导入谐波能量，从而使得实际的有功功率消耗偏小，而线性用户从电网中吸收了谐波能量，从而使得实际的有功功率消耗偏大。因此，本文提出了一种引入补偿因子和惩罚因子的电能计量改进方法，使得不同类型用户的电能计量更加公平、公正、合理。
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