（电力系统及其自动化专业论文）谐波对电能计量影响的研究.pdf

东北电力大学_ 亡学硕士学位论文 量曼皇曼曼曼曼量曼曼曼i i i i i i ；，一i 一m a b s tr a c t e l e c t r i cp o w e rh a r m o n i ci so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , h i g hp o w e re l e c t r o nd e v i c e sa r ea p p l i e dw i d e l y l a r g eh a r m o n i ca n dp o l l u t i o nb r o u g h ti n t o e l e c t r i cn e t w o r k a n de l e c t r i ce n e r g y m e a s u r e m e n to fe l e c t r i cf o r c ed e p a r t m e n ta n dc u s t o m e rw a si n f l u e n c e d s oi ti s n e c e s s a r yt h a th o w t od e t e c ta n dm e a s u r eh a r m o n i ce l e c t r i ce n e r g y i nt h i sp a p e rt h ee f f e c to fh a r m o n i cp o w e ro nm e t e r i n go fe l e c t r i ce n e r g yi s m a i n l yd i s c u s s e d 1 1 1 eg o a li st of m dar e a s o n a b l em e a s u r e m e n tw a yt oe l e c t r i c u t i l i t ya n de l e c t r i cp o w e ru s e r si nh a r m o n i cc o n d i t i o n f i r s t l y , t h r o u g hc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl a n g u a g e m a t e r i a l s ，t h es t r u c t u r eo fi n d u c t i o na n de l e c t r o nt y p ee l e c t r i ce n e r g ym e t e ri s i n t r o d u c e d ，a n dt h e i ro p e r a t i o np r i n c i p l ei se x p l a i n e ds p e c i a l l yi nd e t a i l i tp o i n t so u t t h ei r r a t i o n a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n tu n d e rc u r r e n te l e c t r i ce n e r g y m e a s u r i n gs t a n d a r dt h r o u g ht h ee x p r e s s i o nf o r m u l ao ft h ee l e c t r i ce n e r g yc o n s u m e d b yl i n e a rl o a d sa n dn o n - l i n e a rl o a d s m e a n w h i l e ，l a r g eq u a n t i f i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do n m a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r m , a n dt h er e s u l ts h o w st h a t ，i n d u c t i o nt y p em e t e rh a sar a t h e r l a r g ei n a c c u r a c yo nt o t a lp o w e rm e a s u r eo ff u n d a m e n t a lw a v ea n dh a r m o n i cw a v e ； w h i l ee l e c t r o n i ct y p em e t e rc a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h ev a l u eb e i n gm e a s u r e d h o w e v e r , b o t hm e t e r sh a v ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e na c c u r a c ya n dr a t i o n a l i t yu n d e rc u r r e n t m e a s u r i n gm a n n e r s e c o n d l y , i tc a r r i e so u th a r m o n i ca n a l y s i so ft h ef e e ds y s t e mo fas t e e lp l a n t ， q u a n t i t a t i v e l yr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c et ol i n e a rl o a d sr e l a t e dt oo n en o d ew h e nt h i s n o d ei sb e i n gp o u r e dh a r m o n i c sc a u s e db yn o n - l i n e a rl o a d ，a n da l s ot h ei n f l u e n c et o h a r m o n i cc o n t e n t so fo t h e rn o d e s c o m p a r i s o nb e t w e e nh a r m o m cc u r r e n ta l l o c a t e p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nr e c o r ds h o w st h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n l a s t l y , o nt h eb a s i so fc u r r e n tm e a s u r i n gm a n n e r , f u n d a m e n t a lw a v ep o w e ra n d h a r m o n i cw a v ep o w e rw e r en o tc a l c u l a t e di n d i v i d u a l l y ；t h e np r e s e n t sat o l ls c h e m et o m o d i 母u s e rf e e s ，i m p l e m e n t sp e n a l t yt on o n l i n e a rl o a d sa n dc o m p e n s a t i o nt ol i n e a r l o a d s m e e t st h ee c o n o m i c a le m c i e n e yo fp o w e rm a r k e t k e y w o r d s ：h a r m o nica n a ly sis ；eie c t rici t ym e a s u r e m e n t ；sj m uia tio na n aiy sis i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 、f 论文作者签名：幺公二垒区玉 日期：丝2 星年三月二卫日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：b ：垒盏 导师签名： 日期：卫生年一l 月毕日 f tg q ：边圣年l 月乏乙1 3 中国优秀博硕士学位论文全文数据库： 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：日螽士口博士 作者签名：j 拯鱼返一 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 嘲孙 y 夕 日期：圣型年上月孕日 第1 章绪 论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着现代工业的发展，+ 电力系统接入过多的电力电子设备，整流换流设备 以及其他非线性负载。给电网带入了大量的谐波电流和谐波电压，对电网环境 造成了严重的污染，且使电力营运企业成本增加，给用户也带去很大的麻烦【l 巧】。 电能作为一种特殊产品，其质量日益得到电力生产、传输、利用及管理等 诸多部门的广泛重视。现代电网对社会和经济起着至关重要的作用，随着电力 电子技术的飞速发展，各种大功率整流换流设备、电弧炉等非线性负荷日益增 多，造成供电系统电压、电流波形不同程度畸变，产生大量高次谐波，对供电 系统的安全及经济运行造成危害【6 】【7 1 。 电能计量是电网经济核算的依据，电能的计量精度关系到电力供需双方的 经济效益。在电力系统中的发、输、供过程中，电能计量，尤其是高电压大容 量的电力系统的电能计量是非常重要的一环。因为它不仅紧紧系着电力生产部 门的安全经济运行和直接经济效益，而且还直接、间接的联系着整个国计民生 的经济效益和社会效益。 当前，电力用户对电能质量的要求不断提高，电力用户已不仅仅关注供电 系统电压和频率，对供电系统谐波的关注也越来越明显。因此，研究谐波问题 十分必要，供电系统对谐波的管理和监督也日益重视和规范。目前一般按照供 电系统谐波暂行规定和电能质量公用电网谐波对电网和谐波源的电能质 量进行测试、管理及监督，并要求谐波源用户采取必要的谐波治理措施，减少 谐波对供电系统的污染【8 l 。尽管已经采取必要的措施进行谐波抑制和无功补偿， 但是电网中的谐波问题还是比较突出，经过测量，有的线路的谐波含量已经大 大超过了国家技术监督局所规定的标准值。 东北电力大学工学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 对供电系统谐波进行分析和治理以及对电能计量的影响这一课题的研究已 在国内外广泛展开，并取得众多成果。 文献【l 】提供了2 0 世纪9 0 年代美国东北电网工业、商业及居民用电负荷区 的母线电压、母线电流谐波测试结果，指出母线电压总谐波畸变率基本符合 s t a n d a r d 51 9 标准，但母线电流总谐波畸变率则严重超出i e e e 推荐限值。这与我 们当前的谐波测量结果基本一致。 在国内，与电子式电能表相比，感应式电能表具有结构简单，价格低廉等 特点，在我国应用较为普遍，该类电能表在工频范围很窄的频带内具有最佳的 工作性能，但随着供电系统中波形畸变问题日趋严重，电能表电能计量误差亦 逐渐增大。国内，戚良娣等人从感应式电能表工作原理出发，考虑其铁芯饱和 特性、电压线圈阻抗、铝盘电感以及相位调整线圈调整作用等因素的影响，建 立了感应式电能表的频率特性模型及谐波模型，但模型参数不足，实用性较差。 所以，大多数学者和研究人员对感应式电能表定性、定量地研究比较多，对电 子式电能表的研究就几乎没有了【9 】。但是随着近年来我国电子式电能表的用户的 增加，并且也存在较大的误差，所以有必要对电子式电能表的计量进行系统的 研究分析。 国外有研究者采用感应式电能表主磁通与工作磁通之间的非线性关系式， 建立了较为精确的感应式电能表数学模型，该模型不仅考虑圆盘电感和电压线 圈电阻的影响，同时计及相位调整线圈与磁路的非线性，但实际利用该模型时 会遇到以下问题：滞后线圈和磁路非线性的相关参数较难测量，且生产厂家一 般不予提供：另外，该模型忽略了轻载补偿线圈与圆盘的去磁作用。还有研究 者提出了一种感应式电能表在谐波条件下的频域数学模型，该数学模型考虑了 电磁铁非线性特性对感应式电能表计量误差的影响，但未得到一个可操作的实 用模型【1 0 - 1 2 1 。 总之，目前对电能表电能计量误差的相关研究，尚存在误差模型过于简化、 实用性较差、参数难以确定、缺乏量化概念等诸多不足。所以在目前研究的基 础上本文更加系统全面的分析了谐波对于感应式电能表和电子式电能表计量的 一2 一 第1 章绪论 影响，可是鉴于现在技术方面的原因，还不能精确的把用户所消耗的基波能量 和谐波能量分别计量出来，并且也没有一个对于谐波源用户进行电价重新分配 的一种算法，供电公司就要蒙受很大的损失，并且对于非谐波源用户也是一种 不合理的计算方法。 1 - 2 1 电能表在电力系统中的应用及发展 世界上最早出现的电能表，是一个叫爱迪生的德国人1 8 8 0 年利用电解原理 制成的直流电能表。交流电的出现和被利用，对电能计量仪表的功能提出了新 的要求。18 8 8 年意大利物理学教授弗拉里奥首先想到将旋转磁场理论用于交流 电能测量。与弗拉里奥几乎同时，美国一物理教师也根据旋转磁场的原理试制 出了感应式电能表的雏形。1 8 8 9 年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁芯的 感应式电能表。1 8 9 0 年，带电流铁芯的感应式电能表出现了，不过其转动元件 是一个铜环，制动力矩靠交流电磁铁产生。直到1 9 世纪末，才逐步改用永久磁 铁产生制动力矩，以降低转动元件旋转速度并增加转矩，表的计数机构也几经 改进，铜制的圆转盘由铝圆盘所取代【l 孓1 6 1 。至此，感应式电能表的制造理论基 本形成。 感应式电能表是利用处在交变磁场的金属中的感应电流与有关磁场形成力 的原理制成的，具有制造简便、可靠性好和价格便宜等特点。感应式电能表到 二十世纪初迅速普及应用，促进了电能的商品化生产。 电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。电 力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应式电能表暴露出准确度 低、适用频率范围窄、功能单一等缺点。为使电能计量仪器仪表适应工业现代 化和电能管理现代化飞速发展的需求，电子式电能表应运而生。同时，随着社 会的发展，电子仪器、仪表和电子计算机逐渐应用到各个领域。电力系统也急 需能提供数字( 或脉冲) 输出的电能表，实现分时计费和管理自动化，从而提高工 作效率和经济效益。 早期的电子式电能表是感应式电能表和电子部件的相结合，仍采用感应式 电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能脉冲转换，然后经电 子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。由于此种表的显著特点 一3 一 东北电力大学工学硕士学位论文 是感应式测量机构配以脉冲发生装置，因此被称为感应式脉冲电能表，也称机 电脉冲式电能表。机电脉冲电能表在国外早已有成熟产品，并自2 0 世纪7 0 年 代初起就已开始在一些工业化国家逐步大面积采用。这种表是感应式电能表向 全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量表种，它们对分时电价、需量电价 制度的实施起了积极的推动作用。尽管直到9 0 年代不断改进脉冲式电能表的某 些技术性能，但以感应式测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它 同样具有感应式电能表一样的准确度低、适用频率范围窄等缺点。 为了替代由感应式机构测量交变电能，从7 0 年代起，人们开始研究并试验 采用电子电路的方案。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式 电能计量方案的第一步都是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率 和电能的电子电路式测量方案的共同特点。 电子式电能表的乘法功能是由乘法器完成的，乘法器按其原理可分为模拟 乘法器和数字乘法器，因此电子式电能表可分为模拟型电子电能表和数字型电 子电能表。 目前，国内外生产使用的模拟型电子电能表中采用的模拟乘法器，主要有 时分割乘法器和霍尔乘法器。霍尔乘法器较难实现高精度测量，我国的模拟电 能表主要采用时分割乘法器。模拟型电子表的工作原理是：电流经电流互感器、 电压经分压器，分别得到模拟的取样信号，送到时分割乘法器产生一个与输入 电流i 、电压u 的乘积成正比的输出电平，通过v f 变换器转换成脉冲信号，送 至计度器计量总电量或送至c p u 处理，由l e d 或其它方式如红外线抄表器读取。 数字乘法器型电子电能表是以微处理器为核心，经p t ，c t 变换得到被测电 压和电流，放大送至a d 转换器变换成相应的数据量，完成数字化处理，之后， c p u 根据a d 转换器传输过来的电流、电压数字信号进行分析处理，判断出相 位角、正反送，计算出有功、无功分时电量和最大需量等，从而实现多种功能。 由l c d 显示读数或其它方式进行数据交换。这种类型的电能表利用位数较多的 a d 转换电路或自动量程转换电路，原理上可达到很高的测量准确度【1 7 1 9 】。 目前世界上生产电子式电度表的厂家主要有：瑞士兰迪斯公司 ( l a n d s & g y r ) 、法国斯伦贝谢公( s c h l u m b e r g e r ) 、美国a b b 公司、美国g e 公司、美国w e s t o n 公司、德国e m h 公司、德国s i e m e n s 公司、德国e a s y m e t e r 一4 一 第l 章绪论 公司等【2 们。瑞士兰迪斯公司的产品大多采用霍尔原理，而法国斯伦贝谢公司产 品采用时分割乘法器，较为先进和有特色。 我国从9 0 年代初开始研制全电子式电能表，其产品大多为斯伦贝谢模式。 1 9 9 4 年威胜集团、恒通公司等相继推出了三相电子式多功能电能表和电子式多 费率电能表【2 m 3 】：河南驻马店电表厂引进了德国e m h 公司的三相电子式电能表 技术：河南思达电子仪器股份公司、黑龙江电气有限公司等许多公司和企业也 相继研制开发出了多种类型、规格的单相和三相电子式电能表。经过引进、消 化和吸收，在我国，电子式电能表的研制与生产已开始进入创新和符合国情的 快速发展阶段。 随着电力市场改革的深入，我国国网、省网各级电表在各级电能计量数据 采集系统的建设中绝大部分已更新为电子式电能表，大部分都是进口表计，总 数量近万只。 1 2 2 谐波对电能表电能计量影响的研究现状 感应式电能表面世早，研究其在非线性负载下电能计量准确度的必要性已 得到广泛的认同，相关的研究已经有很多文献发表。 感应式电能表由于其结构简单、价格低廉，使用广泛，然而在目前谐波严 重的情况下，难以如实反映真实功率。电网中谐波问题严重时，感应式电能表 将会产生较大误差，因为传统的电能测量是以线性负载为前提的，是按工作于 工频条件，即5 0 h z 标准正弦波设计的。理论上，只有相同频率的电压和电流才 能构成功率。工频电压( 电流) 和谐波电流( 电压) 并不产生功率。但是由于感应式 电能表的铁磁元件的非线性，使得在输入纯正弦波形的工频电压( 或电流) 时，表 的绕组及圆盘中会存在一些谐波，加之电网中也有一定谐波成分，因此，当电 网电压中有高次谐波或者负荷电流中有高次谐波时，必然会影响这些电能表的 正常工作。高次谐波对电能表的影响是不容忽视的。无论是线性、非线性负载， 电能表在含谐波的线路上不能正确如实记录电能。 电能表技术误差定义为电能表读数与所计量的真实电能的相对误差。因此， 若电能表误差为正，即电能表多计数了，反之则少计数了。探讨谐波对感应式 电能表性能影响的研究主要分两个方面：( 1 ) 通过实验来测量感应式电能表在畸 东北电力大学丁学硕士学位论文 变波形下的电能计量误差；( 2 ) 建立电能表在畸变波形下的数学模型，从理论上 分析在畸变波形下电能表误差的频率特性。 通过实验研究，定性地找出谐波造成电能表计量误差的原因是谐波功率的 大小和流向，却没有定量的分析结果。文献【2 4 】基于仿真负载技术，采取用波形 发生器产生实地测试记录波形信号，送入被实验的电能表进行测量分析，得出 结论是：电压不平衡度( 不平衡度的定义是：最大电压电流值与平均电压电流值 之差除以平均电压电流值再乘以1 0 0 的系数) 、电流不平衡度、电压畸变率( v t h d ) 和电流畸变率( i t h d ) 和电能表记录误差紧密相连，但文献同时说明无法指出它 们中的哪一个是引起电能表记录误差的主要原因。实际上，该文献是从实地波 形角度而不是电能表本身来说明。但重要的是该文指出输入电能表的信号有着 完全相同的t h d 值，引起表的记录误差可能不同。这说明衡量电能计量误差不 能简单地认为畸变率大误差值就大。 尽管这些实验结果本身是有用的，但显然由于实验条件不同，同时实验现 场有附加误差，因此仅基于实验结果分析是不够精确的。而且实际中的非线性 负载千变万化，实验仅能说明在给定非线性负载下的计量结果。甚至电能表的 误差频率特性各文献由于实验条件不同结果有所不同，因而难以从中得出规律 性结论。要找出影响电能表在谐波下的计量误差一般和共性的因素，理论研究 是非常必要的。 文献【2 6 】和【2 7 】给出了计量误差分析，但圆盘的等效阻抗没有考虑。文献 2 8 】 认为在高频下产生计量误差的根本原因是圆盘阻抗相位角的增加，此外文献中 假定了电压线圈是纯感性的，相位调整线圈的调节作用忽略，从而不能解释在 不同功率因数下所产生不同的计量误差现象。最后，有效电压磁通在文献中也 认为是正弦的。实际上，有效磁通在一定程度上产生了畸变，其中主要包含了3 次和5 次谐波，这也是感应式电能表不能准确进行电能计量的原因之一。 1 2 3 谐波电价的研究现状 且前世界各国解决电能质量问题的方法都是制定相应的标准，限定各个节 点的电能污染不能超标。这种方案虽有一定的合理性，但其作用也很有限。文 献【3 0 】指出，这些标准的缺点在于没有考虑充分的利用资源。因为在一个电网中 一6 一 第1 章绪论 有各种电能质量需求的用户，有些对电能质量扰动敏感，有些则抗扰动性强。 如果只用一个标准对所有用户同等看待，显然没有达到资源的充分利用。 目前许多国家正开展电力市场研究，电力市场的理论在于将电力系统的操 作都定量表示为电价。电价作为电力市场的一个经济杠杆，对协调电力生产者、 输送者以及消费者的行为，实现全社会资源的优化配置起到了至关重要的作用。 文献【3 1 】提出了建立电能质量市场的概念，将与电能质量有关的各种污染( 如谐 波注入、不平衡负荷、冲击负荷) 的排放权利作为一种特殊的产品进行交易，通 过市场利益激励机制实现电能质量污染的治理。经济激励机制通过影响逃避控 制污染的成本，使得污染者能够自行选择污染量，其思路是：通过提高逃避污 染控制的成本，使得生产者能够自行找到使控制污染开销最小的策略。通过这 种方法，生产者就有了私人激励，以提供社会最优的污染控制水平。 实施电能质量市场，首先要解决如何对电能质量污染注入进行合理定价。 对于谐波而言，文献【3 2 】提出导致的功率因数来改变定价，文献 3 3 】提出用为消 除污染而需要安装的处理装置的价格来衡量。这些方法的缺点是产生不了激发 用户消除污染的动力，7 也没有回答该由谁来负责最终消除污染。文献 2 7 】提出了 计算谐波注入边际电价模型，并详细讨论如何摊派的方案以及怎样使资源达到 最优化的机制。文献 3 4 】对文献【3 0 】做进一步讨论，指出了谐波注入电价的结果 为复数的原因。文献 3 0 l 模型只考虑了某次谐波注入的平衡方程( 即谐波潮流方 程) ，对谐波边际电价的计算采用分次计算然后线性叠加的做法，没有考虑各个 节点不同的电能质量需求以及谐波可能导致的电压越限等约束条件。所以现在 还没有一种比较明确的谐波电价方案，许多学者都在不断研究之中，并且提出 自己的观点，都存在一定的局限性。 1 3 本文研究的主要内容 本文在前人研究的基础上，系统全面分析谐波对电能表和电能计量的影响。 通过实验，得出了感应式电能表在谐波环境下的频率响应特性曲线；在研究电 子式电能表工作原理的基础上，建立仿真模型分析，以其得到更精确的分析结 果：最后通过实际算例分析，得到谐波对电能计量影响的误差结果，基于目前 电能计量方式的不合理性，提出一个谐波功率超标电价公式。 东北电力大学工学硕：仁学位论文 论文主要内容包括： 1 分析谐波能量的产生和在电网中的流动过程，提出了目前所采用的两种 计量标准以及分析了以每种计量标准为计量方式下的误差，通过误差结果得出 当前计量方式的不合理性。 2 分析研究电能表的结构以及工作原理，通过实验，得出感应式电能表的 频率响应特性曲线，并且在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建仿真电路模型，定 量的分析谐波对电子式电能表计量的影响。 3 利用e t a p 仿真软件对某钢厂供电系统进行谐波分析，通过实际算例来 分析谐波对电能计量的影响。 4 基于目前电费计量方式的不合理性，提出谐波电价方案，得到电网中存 在谐波含量超标时的电价计算公式。 一8 一 第2 章谐波对电能计量影响的理论分析 第2 章谐波对电能计量影响的理论分析 谐波的大小、方向、相角都会对波形产生不同程度影响，谐波功率的大小和 方向决定谐波对感应式电能表的误差的大小，电力谐波的存在，使得感应式电 能表电能计量失准。通过仿真分析，谐波的存在对电子式电能表的影响很小， 可以忽略不计。而这种分析是基于以全能量为计量标准的，即将谐波和基波同 等对待。 在后面的分析过程中，采用了以全能量为计量标准和以基波为计量标准的 两种不同的计量方式，分析结果表明：不同的计量标准和方式导致完全不同的 计量误差结果。那么，究竟哪种计量标准更正确，哪种计量方式更合理呢? 2 1 谐波在电网中流动的理论分析 发电机在发出基波电势的同时也会有谐波电势产生，其谐波电势只取决于发 电机本身的结构和工作状况，基本上与外接阻抗无关，因而可看作谐波恒压源， 但其值很小，国际电工委员会( i e c ) 规定发电机实际的端电压波形在任何瞬间与 基波波形之差不得大于基波幅值的5 。因此，可以认为发电机电势具有纯正弦 波形，没有谐波分量。 电力系统中的负载按其特性可分为线性负载和非线性负载。线性负载的特 点是参数不随电压或电流的变化而变化；非线性负载的特点则是参数随电压或 电流的变化而变化。 为了说明谐波是如何产生的，采用图2 1 所示的电力系统等值电路 设电压源甜( f ) 为工频正弦波，其表达式为 ”( f ) = 功s i n ( w t + o ) ( 2 1 ) 电路中，z 0 、z ，、z ，分别为电源内阻抗、线路等值阻抗和线性负载等值阻抗； z m 为非线性负载等值阻抗。其中线性负载和非线性负载的交汇处为p c c 节点。 东北电力大学工学硕士学位论文 i(t)pcc i 乩“) z 配f jl i l ( t ) z l p c c 图2 - i 电力系统等值电路 由于整个网络所消耗的电能由“( f ) 提供，所以电源发出的功率为： 弓= ；f ( ，) 。( o d t = i o + 毋+ 忍+ ( 2 2 ) 式中昂一电源内阻消耗的功率 # 一线路消耗的功率 罡，一线性负荷消耗的功率 一非线性负荷消耗的功率 由于电网含有谐波，所以每一项都可写成基波和谐波相加的形式： p 0 。p o 1 + p 0 h 曼! - 弋( 2 - 3 ) p l 2 p l 。+ p l h 2p 眦1 + 式中昂，一电源内阻消耗的基波功率 另。一线路消耗的基波功率 足，一线性负荷消耗的基波功率 ，一非线性负荷消耗的基波功率 昂。一电源内阻消耗的谐波功率 b 。一线路消耗的谐波功率 丑，。一线性负荷消耗的谐波功率 ，。一非线性负荷消耗的谐波功率 第2 章谐波对电能计量影响的理论分析 对于基波功率有 e = 昂，+ 另，+ 忍，+ 1 ( 2 4 ) 对于谐波功率有 昂 + 另 + 最 + = 0 ( 2 5 ) 由于电源内阻，线路，以及线性负载都是线性的，所以昂 、异胪只。 o 从而有 = 一( 昂 + 名 + 咒 ) 0 ( 2 6 ) 式( 2 - 6 ) 说明非线性负载所消耗的谐波功率是负值，即作为一个谐波源向 电网回馈谐波，是电网的谐波污染源。由于非线性负载本身并不是电源，所以 非线性负载产生的谐波电能是从吸收的基波电能中的一部分转化而来的。 2 2 电能计量标准 2 - 2 1 电能计量特性 按照对谐波的反应能力，电能表原则上可以分为以下三类： 1 反映基波功率和有限的一些谐波功率；如感应式电能表；根据实验研究， 感应式电能表其近似模型为： 形= 彤+ 巧呢 ( 2 7 ) n = 2 式中形一基波电能 呒一谐波电能 疋一特性系数，由于感应式电能表有下降的频率特性，故有k 0形 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 即谐波功率与基波功率方向相同时，谐波功率由系统注入用户，用户电能 表计量电能大于基波电能。 当谐波功率为负时，则： 脏翌1 0 0 1 3 ，偶数次 k h 1 6 21 2 8o 7 20 1 8 0 0 8 o 4 4 某钢厂电力系统谐波分析 对于一个较为复杂的电力系统，不可能完全通过实测了解全网的谐波分布， 因此需建立系统谐波分析模型，对系统中的谐波分布进行计算。谐波分析已经 成为电力系统分析的一个十分重要的环节，用以研究电力系统规划和运行中与 谐波有关的各种问题。通过谐波分析计算可以确定系统中各部分电压和电流波 形的畸变程度、判断系统是否处于谐波谐振状态以及如何采取措施减小系统谐 振发生的可能性。 图4 1 所示是一个典型的含有谐波源的供电系统，其中，通过两台三绕组变 压器供电的高压配电装置依次供电给多个变流器传动装置、滤波器，以及高压 电动机和低压用电设备等。 第4 章谐波对电能计量影响的实际算例分析 3 5 盯 图4 - 1 某钢厂供电系统图 综合上面所分析的数据搭建仿真模型，谐波分别从节点5 、7 、8 注入，注 入的谐波含量如下表所示： 表4 4 谐波源节点注入谐波含量 各次谐波含量( ) 编号谐波源 23 56791 11 31 51 71 9 5 p c ( u ) 0 2 86 7 02 o0 4 61 4 00 9 00 7 00 6 0o 3 00 2 00 1 0 7 p c ( i ) o 8 09 07 01 3 04 82 6 9 53 1 91 1 8电弧炉o 2 01 2 33 7 00 4 6 7 5 10 7 10 0 50 0 7o 0 7o 0 2o 0 1 表4 - 5 各节点电压谐波含量 各次谐波含量( o a ) 编号 25781 0 l l 1 31 71 9 10 0 3o 7 11 0 9o 0 30 0 10 0 9o 0 80 0 70 0 5 2o 0 2 2 0 81 4 50 0 20 o l0 7 3o 6 20 4 80 3 7 3o 0 51 0 8 1 8 9o 0 5o 0 10 0 8o 0 7o 0 60 0 5 40 0 2 。o 7 2 0 9 60 0 2o 1 30 1 lo 0 90 0 70 0 7 5 0 0 2o 5 60 6 80 0 20 0 9o 0 70 0 50 0 3o 0 2 60 0 20 7 00 9 30 0 2o o l0 1 30 1 lo 0 90 0 7 70 0 22 0 21 4 10 0 4 0 0 20 7 10 6 0 0 4 90 5 1 80 2 13 8 87 8 8o 2 l 0 0 50 0 4 0 0 5o 0 30 0 1 3 9 东北电力大学工学硕士学位论文 通过仿真得出上表数据，3 节点的7 次谐波超标，还有8 节点的各次谐波严 重超标，从这些数据可以看出，当本节点有大量谐波注入时，不仅仅本节点受 到谐波污染，对相邻节点也造成很大的污染，这种现象在目前配电网中尤其严 重。 4 5 实际算例谐波电能仿真结果误差分析 多次谐波下电能的计量情况比较复杂，由于谐波有正负方向，所以有可能 相互之间有抵消。在实际电力系统中，非线性负载特性千变万化，不可能、也 没有必要在各种谐波组合情况下检验电能表的计量误差。通过仿真分析，得出 某钢厂谐波分析后的电能计量误差。 表4 - 6 某钢厂谐波对电能表电能计量产生的误差 线路 全能量为计量标准计量误差( )基波为计量标准计量误差( ) 1 3 0 0 0 2 ，5 6 00 0 0 1 ，4 3 9 1 2 0 0 0 0 ，5 1 0 ，5 90 0 0 2 ，6 4 8 ，i 2 4 0 0 0 0 ，1 2 8 ，1 50 0 0 0 ，0 6 5 ，1 2 2 5 0 0 0 0 ，1 3 7 ，3 50 0 0 0 ，0 6 9 ，8 4 3 8 0 0 2 2 ，7 31 ，90 0 1 4 ，3 8 9 ，2 3 4 6 0 0 0 0 ，0 0 2 ，3 910 0 0 0 ，0 0 1 ，2 1 4 7 0 0 0 7 ，4 6 2 ，30 0 0 5 ，3 6 1 ，9 2 从结果来看，无论是以全能量为计量标准还是以基波为计量标准，电能计量 都存在一定的误差。从百分比看误差应该说是比较小的，但如果考虑考虑到这 些损失起到了增大线损和减小设备寿命的作用，应该子以重视。 当谐波电压、电流均符合限制电力系统谐波的有关标准或规定时，所产生 的谐波功率只占供电负荷的很小份额。若对电网中的谐波不加控制，任其超过 允许值，则谐波功率本身即构成巨大的经济损失。 第4 章谐波对电能计量影响的实际算例分析 4 6 谐波电价的探讨 电力企业的各项成本是制定电价的基础。各类用户的电价应能真实反映供 电的成本，并能向用户提供适当的价格信号。 文献【3 0 】指出：“谐波对收入和成本的影响是隐含在电力公司销售给全体用 户的电费收入中的。这类似于少数工厂将废水排入江河而沿河所有居民需为之 付出排污费的情况一样。这样，合理的电价方案应反映谐波对电力公司的收入 和成本之间的相互影响关系。”因此，成本核算标准应该是制定电价模型最基木 的标准，也是符合国家有关政策的。 如前所述，电网中存在的日益增多的谐波污染大大影响着电力公司的成本 和收入，因此，今后电价的制订必须考虑谐波对电力成本的影响。当前，应当 结合我国国情，制订新的电价核算方法，针对大谐波源用户进行谐波收费，要 加强谐波对电力公司成本和收入影响的研究，制定谐波电价，从而迫使大谐波 源用户减少谐波的排放，以经济手段实现对电力谐波的治理也许是谐波治理的 一项最有效的措施。 高次谐波对电力公司成本和收入的影响体现在很多方面，但是很难进行准 确估算，对这些影响采取惩罚性定价标准在谐波电价中予以考虑；而对于谐波 造成电能表计量误差国内已做过大量试验，可通过实测数据来对误差进行估算， 根据成本核算定价标准在谐波电价中给予反映。 根据对谐波源用户的惩罚性标准，提出一个统一谐波电价计算公式： 巩如限值超标谐波电价公式：咒= ( 1 0 5 + k p ) 忍 ( 4 8 ) 式中只谐波电价 k 。惩罚系数，其值为谐波源用户带入电网的谐波功率和消耗的基波 功率的比值 只统一销售电价 1 0 5 - - 考虑对含有谐波的负荷进行收费要使用一定的测量设备，投入一定 的工作量。因此，要计入谐波收费的附加费用。暂以由于计量误差少收费用的5 计算 根据上述的分析来看，比较合理的办法是对基波能量和谐波能量分别进行 东北电力大学工学硕士学位论文 计量，对它们分别收费。但是，基于目前的电能计量方式，由于技术方面的限 制，将基波能量和谐波分别计量是不可能的。因此，需要一种新的谐波电价方 案对电费的收取加以修正。 许多用电设备都存在一定的谐波，它们的用电方式不同，并且所含各次谐 波电压、谐波电流、谐波功率各不相同，是否对所有存在谐波的用电设备都要 进行收费呢? 对于谐波含量很小的设备也进行收费既不合理，也不可行。因此， 对于谐波收费要有一定的标准，当某种谐波指标超过标准时，才进行谐波收费。 为此，采用谐波f u ，限值作为谐波收费标准。 对于设定谐波收费标准 ? u ，限值要根据国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 规定， 对于注入公共连接点的谐波电流有一个允许值表，见附录b ，根据附录b ，我们 可以推算出对应不同谐波次数的电压含有率限值表，见附录a 。由于谐波对于供 电成木的影响是谐波电压和谐波电流共同作用的结果，为此取各次谐波的电压 电流积u j 作为考核谐波对供电成木影响的指标，见附录c 。由于不同的谐波 电源的各次谐波里谐波含量具有不同的特点，因此，我们采用 _ ! u ，作为对 于谐波电源进行惩罚性收费的标准，见附录d 。为了简便起见，可以针对不同类 型的谐波用户制定简单易行的 ? u j 标准，例如，对于交流电弧炉的谐波负 载可计算出2 ，3 , 4 ，5 ，7 次谐波f u j 值；对于电气化铁道谐波负载可计算出3 ，5 ， 7 ，9 ，1 1 ，1 3 ，1 5 次谐波 ：u ，值。 当然，这种建议的新谐波电价公式尚只是初步的探讨，进一步的技术、经 济、政策各方而的深入分析需要众多的研究、生产、管理部门的共同努力才能 完成。 4 7 本章小结 本章利用e t a p 仿真软件对某钢厂实际算例进行谐波分析，通过分析报告可 得，当某节点有谐波注入时对本节点非谐波用户谐波含量的影响以及对相邻其 他节点谐波含量的影响，定量的分析了各节点谐波含量情况。和i e c 公共电网 谐波含量标准值进行比较得出谐波含量超标节点。基于目前的电能计量方式下， 得出谐波对电能计量的误差结果。 结论 结论 研究谐波对电能计量的影响是很多供电局所关注的问题。经过仿真实验得 出如下结论： 1 建立电力系统等值电路模型，定性分析了谐波能量的产生和在电网中的流 动过程，得出非线性负载是电力系统的谐波源用户，所产生谐波是吸收基波电 能的部分转化而来的。 2 对感应式电能表的结构和工作原理做了详细的介绍。通过测量结果得出当 电路中含有谐波时，感应式电能表的频率特性响应曲线。采用模拟乘法器和数 字乘法器的电子式电能表的工作原理做了详细的介绍。借助m a t l a b s i m u l i n k 仿 真环境搭建了含有线性用户和非线性用户的仿真电路，对电子式电能表和含有 谐波计量模块的数字式电能表进行仿真分析，通过仿真结果可以得出理论分析 的正确性。 3 通过e t a p 仿真分析，得到各节点的各次谐波含量，和国内公用电网各次 谐波电压限值进行比较，可以非常直观的看出哪个节点的哪次谐波超标，为滤 波、无功补偿提供了准确的数据。通过各节点各次谐波含量，和各支路的谐波 电流值，可以得出f 【，在两种计量方式下得出谐波对电能计量计量的误 _ 一 一 l 差结果。 4 分析了谐波对电力公司成本和收入的影响，基于目前的电能计量方式，不 能把基波和谐波分开计量，提出一种谐波电价公式对电费的收取加以修正。 本文虽然做了很多的工作，但因为时间的关系，作者的能力问题，但是还 有很多的问题需要进一步的研究，例如： 1 感应式电能表和电子式电能表的仿真模型和实表计量之间的误差 2 对实际算例谐波分析时，由于数据的随机性还存在一定的误差 3 谐波电价公式属于探讨阶段没有实际应用 东北电力大学工学硕士学位论文 参考文献 【1 】e a l e x a n d e r ，a j o h n ，d a v i dc y g a n s k i ，e ta 1 as u r v e yo fh a r m o n i cv o l t a g e s a n dc u r r e n ta tt h ec u s t o m e r sb u s i e e et r a n s a c t i o n