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基于电力谐波电能计量分析


基于电力谐波的电能计量分析 摘要:近年来,各行业以及家用电器、电铁牵引中许多非线性 负荷的日渐增多,特别是一些大功率变流设备和电弧炉的大量应 用,导致电网中产生大量的高次谐波电流,进而引起电压波形发生 较大的畸变。电能计量数据是发电企业、输配电企业、电力用户之 间进行贸易结算的依据,它的准确与否直接影响到三者的利益以及 交易的合理性。研究在电网中存在高次谐波时合理的电能计量方 法

、开发和选用适宜的计量装置是非常必要的。 关键词:谐波电流;电能计量;计量方法;计量装置 中图分类号:tm933.4 文献标识码: a 文章编号:1 电能表的工 作原理在电能计量方面,目前普遍采用电磁感应式电能表和全电子 式电能表。1.1 电磁感应式电能表的工作方式和误差特性电磁感应 式电能表(包括机电一体电磁感应式电能表)是通过电磁感应组件 来驱动机械记数装置, 把电能量记录下来。 它产生误差的原因很多, 与电力高次谐波相关的体现为 2 个方面。1.1.1 电磁感应式电能 表的设计是按基波考虑的。在负载上当基波电压电流不变而又含有 谐波时,电能表电压线圈阻抗和转盘阻抗都会变化,导致电压工作 磁通和对应的电流磁通变化,从而影响电能表的计量精度〔2〕 。 1.1.2 当存在谐波电压与电流时,由谐波和基波叠加而成的电压 电流波形发生畸变,但由于对应铁心导磁率的非线性,磁通并不能 相应地成线性变化。根据电路原理〔1〕 ,只有同频率的电压和电流 相互作用才产生平均功率;根据电磁感应式电能表工作原理,只有 同频率的电压和电流产生的磁通相互作用才能产生转矩,畸变的波 形通过电磁组件以后,由于磁通不与波形对应变化,导致转矩不能 与平均功率成正比而产生附加误差。1.2 全电子式电能表的有功计 量方法及误差特性全电子式电能表计量有功就是用 a/d 采样数值 计算的方法。设交流电源电压、电流的瞬时值分别表达为 u(t) ,i (t) ,则瞬时功率 p(t)和 1 个周期内平均功率 p 分别为:将 tk 时刻的电压电流瞬时值 u(tk) ,i(tk) ,代入式(1)得到 tk 时刻 的功率瞬时值:将一个周期 t 等分为 n 份,根据积分的数值计算方 法〔3〕 ,可将式(2)变为:式(5)是全电子式电能表计量有功电 能的采样数值计算方法。全电子式电能表产生误差的原因是多方面 的,如温度、电压电流、基波频率等外界条件;电压电流变换线路 组件的分散性,电能量计算的方法等。上述影响因素在计量有高次 谐波的电能时均存在。 2 谐波情况下电能计量分析和比较当电压 u (t) 、电流 i(t)中含有基波和 2~n 次谐波分量时,u(t) ,i(t) 可以表示为各次谐波分量的叠加。式中 un(或 in 为 n 次谐波电压 (或电流)的有效值;ω 为基波角频率;α n(或β n)为 n 次谐波 电压(或电流)的初相角。根据电路原理〔1〕 ,瞬时功率、1 个周 期 t 内的平均功率、 有功电能可分别表示为:(10) pn=unincos 式 中, ? n 为电压、电流 n 次谐波(或基波)构成的平均功率。式(10) 表明,只有同频率的电压与电流谐波才构成平均功率;频率不相同 的电压与电流谐波只构成瞬时功率;根本不构成平均功率〔1〕 。当 谐波存在时,作为贸易依据的有功电能计量应该是将负载上消耗的 基波和谐波有功能量 (即负载消耗的实际能量) 都准确地记录下来, 即式(11)所示。从工作方式和误差特性分析可知,电磁感应式电 能表是以基波为参比条件进行设计制造,只能在基波情况下准确地 记录负载消耗的有功电能;

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