浅析电能计量中谐波的影响与改进措施

邵娅楠 侯传斌

1.山东省枣庄市薛城区市场监督管理局 山东 枣庄 277000

2.山东省枣庄高新建设集团有限公司 山东 枣庄 277000

引言

随着电力系统中各种非线性负荷日益增多,加上风光新能源的并网,电网中被注入越来越多的电力谐波,这不仅会影响电网运行过程中的电能质量,而且会对电能计量的准确性造成很大干扰。因此,要正确认识谐波对电能计量的影响,采取切实有效的应对措施,以改善电网运行过程中的电能质量,提升谐波背景下电能计量的准确性。

1 谐波及其来源

1.1 谐波 谐波通常也称为高次谐波,电力系统对谐波的定义是指对周期性非正弦交流电量(电压或电流)进行傅里叶级数分解后,所得到的频率是基波频率整数倍的各次分量,这部分电量我们称之为谐波,而基波是指频率与工频(50Hz)相同的电量。电网运行理想状态下,电压电流都是工频(50Hz),但是由于非线性设备和非线性负载等的出现,设备两端的电压与通过的电流不成线性(正比)关系,导致系统中的电压电流波形产生畸变,最终造成谐波的出现。

如图1所示,从左前方往右后方看,第一个波形为周期性非正弦电量,经对其进行傅里叶级数分解后,得到紧挨其后的基波和各次谐波分量。

图1 周期性非正弦电量和各次分量

如图2所示,从上往下数,第一个波形为基波波形,再往下依次是二、三、四次谐波波形,它们的频率分别是基波频率的二倍、三倍和四倍。

图2 基波及2、3、4次谐波波形图示例

1.2 谐波的来源 谐波源在电力系统中多种多样,主要来自以下几个方面:

(1)电源端(发电设备)产生的谐波:在发电机制作的过程中,由于制作工艺的影响,发电机的三相绕组很难做到使其完全的对称,发电机的铁心要做到绝对的均匀一致也比较很困难,致使在发电机运行过程中谐波的产生,不仅会影响发电机的运行效率,而且会对发电质量、发电机的使用年限等造成影响。其次风光新能源的并网,由于多采取交直流转换方式,逆变器也是重要的谐波源之一。

(2)输配电系统产生的谐波:在输配电过程中,电力变压器是十分主要的谐波源,变压器在设计时为了考虑其经济性,它的磁化曲线通常处于非线性饱和状态,致使变压器工作时的磁化电流波形呈尖顶型波形,因而导致奇次谐波的出现。而且变压器产生谐波的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关,较高的变压器铁心饱和程度也容易产生较大的谐波电流。

(3)用电设备产生的谐波:晶闸管整流设备,由于被广泛应用在充电装置、开关电源、电力机车等许多方面,也给电网带来了相当多的谐波。其次许多变频设备、电弧炉、气体放电类电光源、家用电器等的使用,也导致用户侧存在较多的谐波电流。

2 谐波对电能计量的影响

2.1 谐波对电能计量准确性的影响

(1)感应式电能表:感应式电能表作为一种通过电感应测量元件圆盘的旋转而工作的电能表,其设计的基础是交流电基波,主要借助电磁作用力驱动计量元件动作,以实现电能计量的目的。为保证测量的精度,需要电压电流频率维持在相同大小。如有谐波出现,则会导致表内磁通发生畸变,相应的电磁作用力也会出现偏差,导致电能计量误差明显加大,降低电能计量的准确性。

(2)电子式电能表:相比感应式电能表,电子式电能表具有准确度等级高、误差曲线平整、频率响应范围宽、受外磁场影响小等优点,实际应用中,电子式电能表的使用更为广泛,当其用于电能计量时,电网的电流和电压都要进行测量,然后通过互感器把它们转化为弱信号流入电表。由于其频率响应范围宽,电子式电能表对于基波和谐波电能都能有效计量,对于线性用户而言,一般是基波与谐波之和,多计算了电能,对于非线性用户而言,由于部分谐波流入了电网,计算的电能主要是基波电能减去流入电网电能,反而少计算了电能。

2.2 谐波对电能计量合理性的影响 在电网的实际运行中,非线性负荷大量存在,电能计量准确性必然会受到谐波的冲击,致使我国目前使用的全能量计量方式在应用上失去一定的合理性。比如作为重要谐波源之一的非线性用户,由于其“制造”的谐波有部分流入了电网,其实际计量的电能小于其实际消耗的电能,所以少支付了输出谐波电能所产生的电费,这就导致了系统中的非谐波源用户分摊了这部分谐波电能,同时还要为谐波电能支付电费,这显然是不公平不合理的。

3 降低谐波对电能计量影响的措施

3.1 减少谐波出现的频次 首先要从源头上采取措施,减少谐波出现的频次。一方面可以改善电力供应,通过变压器等设备及时更换、增加系统供电电源、提升供电设备容量等途径,以改善供电系统的供电环境,增强系统抗谐波干扰能力;另一方面可采用滤波器来吸收系统中的谐波电流,对谐波进行有效的抑制和消除。

3.2 提升谐波监测与治理力度 加强对系统中谐波源的实时监测,比如与谐波源有关的重点变电站,采用质量检测装置、组建完善谐波监测系统,对谐波出现实时掌控及时处理,与此同时,也要科学规划、避免谐波源一点接入,严厉控制禁止谐波含量超标的用户接入电网,做好非线性用户谐波监测工作。

3.3 增加换流装置的相数 供电系统产生谐波的重要来源之一是换流装置,当换流装置的相数增加时,其交流侧和直流侧产生的谐波次数可以在一定程度上对大幅值的低频项进行有效控制甚至消除,从而减小谐波电流的有效值,降低谐波电流对计量装置的影响。

3.4 选择合适的计量点计量方式 选择合适的电能计量点,注意避开谐波源用户、与谐波源保持较远距离,同时选择谐波较小的端口安装计量表,以降低谐波对计量装置的影响。对于不同的计量点,根据其谐波的特点,选择不同类型的电能表,比如对于关口电能表,选用稳定性、精准度较高的多功能电能表,对于产生大量谐波的计量点选用频率响应范围宽的电子式电能表。探索谐波计量新模式,分别配置基波表和谐波表,将基波电能和谐波电能进行单独计量,但是谐波流向复杂多变,目前在实际设计应用上存在较高难度。

4 结束语

谐波的出现不仅会污染供电环境,而且会影响电能计量的准确性,因此应对电能计量中谐波的存在高度重视。本文阐述了电网中谐波的各种来源,通过分析谐波对电能计量的不同影响,最终提出了降低电能计量中谐波影响的有效措施,以期为谐波背景下提升电能计量的准确性提供参考。