敘述不同情況下電能諧波問(wèn)題與計(jì)量方法

1、敘述不同情況下電能諧波問(wèn)題與計(jì)量方法    摘要:對(duì)諧波工況下有功電能和無(wú)功電能計(jì)量的問(wèn)題進(jìn)行闡述,提出在諧波工況下有功電能和無(wú)功電能的合理計(jì)量方式,并介紹了一款性能優(yōu)越的集成計(jì)量芯片。 關(guān)鍵詞:諧波;有功電能;無(wú)功電能;電能計(jì)量 中圖分類(lèi)號(hào)：R363.1+24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 概述 在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天,非線(xiàn)性用電負(fù)荷日益增多,一些大功率變流設(shè)備和電弧爐在電氣化鐵路和煉鋼廠等企業(yè)中被大量應(yīng)用。這些設(shè)備在帶給人們生活便利和提高勞動(dòng)生產(chǎn)力的同時(shí),也使供電系統(tǒng)中諧波電壓和諧波電流成分不斷增加,導(dǎo)致電壓、電流波形發(fā)生較大的畸變。這些諧波成分不僅對(duì)供

2、電系統(tǒng)造成污染,對(duì)電力設(shè)備、通信線(xiàn)路等構(gòu)成直接危害,而且產(chǎn)生諧波的非線(xiàn)性用戶(hù)將其吸收的一部分基波電能轉(zhuǎn)化為諧波電能,從而影響電網(wǎng)和其他用戶(hù),并進(jìn)而影響電能計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 1.諧波工況下的有功功率計(jì)量問(wèn)題 1.1有功功率計(jì)量理論 在諧波工況下,當(dāng)電壓u(t)、電流i(t)中含有基波和2n次諧波分量時(shí),u(t)、i(t)可以表示為各次諧波分量的疊加 根據(jù)電路原理,平均有功功率為 其中,基波有功功率和總諧波有功功率為P1=U1I1cos1 即當(dāng)諧波存在時(shí),作為貿(mào)易依據(jù)的有功電能計(jì)量應(yīng)該是負(fù)載上消耗的基波有功電能和各次諧波有功能量的代數(shù)和?？紤]到電能表實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,所選用的器件和算法不可能絕對(duì)理想,

3、必然對(duì)不同的頻率會(huì)有不同的響應(yīng),電能表實(shí)際反映出的有功電能應(yīng)為 式中E通過(guò)電能表的總有功電能; E1通過(guò)電能表的基波有功電能; K1基波電能計(jì)量衰減系數(shù); En通過(guò)電能表的第n次諧波有功電能; Kn第n次諧波下電能計(jì)量衰減的頻率響應(yīng)系數(shù)。 1.2諧波下的頻率響應(yīng) 從上式可以看出,影響有功計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一個(gè)重要參數(shù)就是頻率響應(yīng)系數(shù)。其物理意義,首先要求電能表有一個(gè)很寬的模擬輸入帶寬,模擬輸入帶寬是指信號(hào)衰減超過(guò)3dB(29.2%)時(shí)對(duì)應(yīng)的上限頻率和下限頻率之間形成的頻帶。一個(gè)窄的模擬輸入帶寬意味著高次諧波不能被正確分析。在電力系統(tǒng)中,如果要求所有21次以下諧波功率都能夠被精確計(jì)量,則模擬輸入帶

4、寬大于1.5kHz是需要的;如果要求所有63次以下諧波功率都能夠被精確計(jì)量,則模擬輸入帶寬大于4kHz是需要的。 1.3諧波下的有功能量 電網(wǎng)中基波功率由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生,而負(fù)荷又分為線(xiàn)性負(fù)荷與非線(xiàn)性負(fù)荷。非線(xiàn)性負(fù)荷吸收電網(wǎng)的基波功率,并將基波功率的一部分轉(zhuǎn)化為諧波功率反送回電網(wǎng)以及其他線(xiàn)性負(fù)荷;線(xiàn)性負(fù)荷不僅吸收電網(wǎng)的基波功率,也吸收一部分非線(xiàn)性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波功率。根據(jù)感應(yīng)式電能表頻率響應(yīng)曲線(xiàn),隨著頻率的增大,電能表誤差向負(fù)方向增大,即實(shí)際計(jì)量的電能越來(lái)越少,但必然有0<Kn<1。對(duì)線(xiàn)性負(fù)荷而言,基波功率方向與諧波功率方向相同,Kn0,因此感應(yīng)式電能表所計(jì)量的電能大于基波電能,但小于基波

5、與各次諧波電能之和;對(duì)非線(xiàn)性負(fù)荷而言,基波功率方向與諧波功率方向相反,Kn0,因此感應(yīng)式電能表所計(jì)量的電能大于基波與各次諧波電能之差,但小于基波電能。另一方面,根據(jù)感應(yīng)式表的頻率響應(yīng),隨著頻率的增大,Kn0,在理想情況下,感應(yīng)式電能表相當(dāng)于一個(gè)不受諧波影響的基波電能表,因此,實(shí)際上可以用感應(yīng)式電能表近似測(cè)量基波電能。 1.4有功功率的計(jì)算 在前文有功計(jì)量理論中,分析了用實(shí)時(shí)積分算法計(jì)算有功功率的方法 總有功功率為基波有功功率和各次諧波有功功率的代數(shù)和;但是,實(shí)時(shí)積分算法無(wú)法提供基波功率、各次諧波的功率,得不到總諧波功率,無(wú)法區(qū)分用戶(hù)是非線(xiàn)性用戶(hù)(Ph<0),還是線(xiàn)性用戶(hù)Ph >0)

6、。定義第次諧波的有功功率為 因此,在電子式電能表的實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中,可以通過(guò)離散傅立葉變換求得電壓、電流信號(hào)的各次諧波幅值UnIn以及同次諧波電壓、電流之間的相角n,從而求得各次諧波功率;計(jì)算基波有功功率1和總諧波功率為P1=U1I1cos1 進(jìn)而可以提供基波電能、諧波電能,并通過(guò)諧波電能的方向以區(qū)分用戶(hù)是非線(xiàn)性用戶(hù)或線(xiàn)性用戶(hù),為科學(xué)用電管理提供依據(jù)。 2、諧波工況下的無(wú)功計(jì)量問(wèn)題 在諧波工況下,無(wú)功計(jì)量除了和有功計(jì)量一樣需要特別關(guān)注諧波對(duì)計(jì)量精度的影響以外,更需要關(guān)注無(wú)功計(jì)量算法的實(shí)現(xiàn)。 2.1無(wú)功功率的定義 對(duì)于含有諧波的非正弦電路的無(wú)功功率還沒(méi)有廣泛認(rèn)同的、科學(xué)且有權(quán)威性的定義,在IEEE

7、標(biāo)準(zhǔn)100-1996中的"magner"詞條下,無(wú)功功率被定義為 式中和分別代表第次諧波的電壓和電流有效值,!為第次諧波電壓和電流之間的相位差。這也是目前被采用最多的一種定義。 2.2無(wú)功功率的計(jì)算 無(wú)功功率可用不同的計(jì)算方式,根據(jù)采用的方式的不同,測(cè)量得到的無(wú)功功率與IEEE定義的真無(wú)功功率存在必然的誤差,特別是在諧波情況下。目前主要采用的方式有四種:功率三角形法、時(shí)延法、低通濾波器法和Hilbert濾波器法。 方法1:功率三角形法 功率三角法是基于這樣的假定:視在功率、有功功率、無(wú)功功率三個(gè)功率構(gòu)成一個(gè)如圖1所示的直角三角形。無(wú)功功率就可以根據(jù)視在功率和有功功率計(jì)算得出

8、。 式中Q無(wú)功功率;視在功率;有功功率。 由于上面的假定只有在純正弦波形的情況下才成立,因此盡管在純正弦波形時(shí)此方法可以給出極好的結(jié)果,但有諧波存在時(shí)其誤差是很大的。 方法2:時(shí)延法 根據(jù)三角函數(shù)中sin()和cos()的關(guān)系,將一時(shí)間延遲引入波形之一,使其在基波頻率下移動(dòng)90°,然后將兩波形相乘。有 式中為基波周期。 在電子DSP系統(tǒng)中,這一方法可以這樣實(shí)現(xiàn):將輸入信號(hào)之一延遲數(shù)個(gè)采樣,延遲采樣的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)為基頻周期的四分之一。其原理如圖2。 然而,這種方法也只考慮了基波的情況,在3、7、11、15等諧波情況下,實(shí)際上不是移相90°,而是移相270°,因此其誤差也

9、是很大的。即便在基波情況下,當(dāng)基頻發(fā)生變化導(dǎo)致延遲的采樣個(gè)數(shù)不再對(duì)應(yīng)于四分之一的基波頻率時(shí),這種方法也會(huì)引入嚴(yán)重的誤差。 方法3:低通濾波器法 不采用時(shí)延的方法移相90°,而是在一路輸入通道上加入單極低通濾波器,如果此低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)低于基波頻率,則根據(jù)如圖3所示的頻響曲線(xiàn),將使基頻及所有高于基頻的頻率移相90°,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的計(jì)算。 方法4:Hilbert濾波器法 按照IEEE無(wú)功功率的理論定義,要求分別計(jì)算出各次諧波無(wú)功后,再進(jìn)行求和,這就要求對(duì)各次諧波都能有精確的90°移相,而一般的硬件濾波器很難做到這一點(diǎn)。最合理的方法是依靠DSP技術(shù),采用專(zhuān)門(mén)的

10、數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行希爾伯特(Hilbert)轉(zhuǎn)換以保證測(cè)量帶寬內(nèi)所有頻率的信號(hào)在幅頻特性不變的同時(shí)而進(jìn)行恒定的90°精確移相,從而可以保證各次諧波無(wú)功功率測(cè)量的準(zhǔn)確性,然后把各次諧波功率相加。這種處理方法完全符合電工和數(shù)學(xué)分析,所以即使對(duì)于相當(dāng)高次諧波無(wú)功功率的測(cè)量,也能獲得很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。 3、一款優(yōu)越的三相計(jì)量芯片 ATT7022B是珠海炬力公司(Actions)繼成功推出6款高集成度的單、三相電能計(jì)量芯片之后推出的又一款三相計(jì)量芯片。ATT7022B繼承了炬力公司前期推出的四款三相計(jì)量芯片的成功經(jīng)驗(yàn)以及客戶(hù)使用建議,除了同樣具有高可靠性、高精度、高穩(wěn)定性、多功能等優(yōu)點(diǎn)外,ATT7022B還特別增加了基波/諧波/視在電能測(cè)量功能。ATT7022B內(nèi)部集成7通道的16位高精度ADC和24位高速DSP,采用16bit采樣,采樣速率為3.2ksps,能夠準(zhǔn)確地計(jì)量出電網(wǎng)中的21次諧波,在1000!1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),有功功率和無(wú)功功率的線(xiàn)性度達(dá)到0.1%,電流電壓的有效值測(cè)量精度可達(dá)0.5%。ATT7022B不僅可以計(jì)量電網(wǎng)中含諧波的總電能,還使用帶通數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)基波成分和諧波成分的分離,將電網(wǎng)中的基波電能和諧波電能進(jìn)行分別計(jì)量,并記錄基波電能和諧波電能的方向,為電力部門(mén)公平計(jì)費(fèi)提供參考依據(jù)。 4、結(jié)束語(yǔ) 諧波對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性有極