叙述不同情况下电能谐波问题与计量方法

叙述不同情况下电能谐波问题与计量方法摘要:对谐波工况下有功电能和无功电能计量的问题进行阐述,提出在谐波工况下有功电能和无功电能的合理计量方式,并介绍了一款性能优越的集成计量芯片。关键词:谐波;有功电能;无功电能;电能计量中图分类号：R363.1+24文献标识码：A文章编号：概述在经济快速发展的今天,非线性用电负荷日益增多,一些大功率变流设备和电弧炉在电气化铁路和炼钢厂等企业中被大量应用。这些设备在带给人们生活便利和提高劳动生产力的同时,也使供电系统中谐波电压和谐波电流成分不断增加,导致电压、电流波形发生较大的畸变。这些谐波成分不仅对供电系统造成污染,对电力设备、通信线路等构成直接危害,而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能,从而影响电网和其他用户,并进而影响电能计量数据的准确性。1.谐波工况下的有功功率计量问题1.1有功功率计量理论在谐波工况下,当电压u(t)、电流i(t)中含有基波和2n次谐波分量时,u(t)、i(t)可以表示为各次谐波分量的叠加根据电路原理,平均有功功率为其中,基波有功功率和总谐波有功功率为P1=U1I1cos1即当谐波存在时,作为贸易依据的有功电能计量应该是负载上消耗的基波有功电能和各次谐波有功能量的代数和。考虑到电能表实现过程中,所选用的器件和算法不可能绝对理想,必然对不同的频率会有不同的响应,电能表实际反映出的有功电能应为式中E通过电能表的总有功电能;E1通过电能表的基波有功电能;K1基波电能计量衰减系数;En通过电能表的第n次谐波有功电能;Kn第n次谐波下电能计量衰减的频率响应系数。1.2谐波下的频率响应从上式可以看出,影响有功计量数据准确性的一个重要参数就是频率响应系数。其物理意义,首先要求电能表有一个很宽的模拟输入带宽,模拟输入带宽是指信号衰减超过3dB(29.2%)时对应的上限频率和下限频率之间形成的频带。一个窄的模拟输入带宽意味着高次谐波不能被正确分析。在电力系统中,如果要求所有21次以下谐波功率都能够被精确计量,则模拟输入带宽大于1.5kHz是需要的;如果要求所有63次以下谐波功率都能够被精确计量,则模拟输入带宽大于4kHz是需要的。1.3谐波下的有功能量电网中基波功率由发电机产生,而负荷又分为线性负荷与非线性负荷。非线性负荷吸收电网的基波功率,并将基波功率的一部分转化为谐波功率反送回电网以及其他线性负荷;线性负荷不仅吸收电网的基波功率,也吸收一部分非线性负荷产生的谐波功率。根据感应式电能表频率响应曲线,随着频率的增大,电能表误差向负方向增大,即实际计量的电能越来越少,但必然有0Kn1.4有功功率的计算在前文有功计量理论中,分析了用实时积分算法计算有功功率的方法总有功功率为基波有功功率和各次谐波有功功率的代数和;但是,实时积分算法无法提供基波功率、各次谐波的功率,得不到总谐波功率,无法区分用户是非线性用户(Ph0)。定义第次谐波的有功功率为因此,在电子式电能表的实际测量系统中,可以通过离散傅立叶变换求得电压、电流信号的各次谐波幅值UnIn以及同次谐波电压、电流之间的相角n,从而求得各次谐波功率;计算基波有功功率1和总谐波功率为P1=U1I1cos1进而可以提供基波电能、谐波电能,并通过谐波电能的方向以区分用户是非线性用户或线性用户,为科学用电管理提供依据。2、谐波工况下的无功计量问题在谐波工况下,无功计量除了和有功计量一样需要特别关注谐波对计量精度的影响以外,更需要关注无功计量算法的实现。2.1无功功率的定义对于含有谐波的非正弦电路的无功功率还没有广泛认同的、科学且有权威性的定义,在IEEE标准100-1996中的magner词条下,无功功率被定义为式中和分别代表第次谐波的电压和电流有效值,!为第次谐波电压和电流之间的相位差。这也是目前被采用最多的一种定义。2.2无功功率的计算无功功率可用不同的计算方式,根据采用的方式的不同,测量得到的无功功率与IEEE定义的真无功功率存在必然的误差,特别是在谐波情况下。目前主要采用的方式有四种:功率三角形法、时延法、低通滤波器法和Hilbert滤波器法。方法1:功率三角形法功率三角法是基于这样的假定:视在功率、有功功率、无功功率三个功率构成一个如图1所示的直角三角形。无功功率就可以根据视在功率和有功功率计算得出。式中Q无功功率;视在功率;有功功率。由于上面的假定只有在纯正弦波形的情况下才成立,因此尽管在纯正弦波形时此方法可以给出极好的结果,但有谐波存在时其误差是很大的。方法2:时延法根据三角函数中sin()和cos()的关系,将一时间延迟引入波形之一,使其在基波频率下移动90,然后将两波形相乘。有式中为基波周期。在电子DSP系统中,这一方法可以这样实现:将输入信号之一延迟数个采样,延迟采样的个数对应为基频周期的四分之一。其原理如图2。然而,这种方法也只考虑了基波的情况,在3、7、11、15等谐波情况下,实际上不是移相90,而是移相270,因此其误差也是很大的。即便在基波情况下,当基频发生变化导致延迟的采样个数不再对应于四分之一的基波频率时,这种方法也会引入严重的误差。方法3:低通滤波器法不采用时延的方法移相90,而是在一路输入通道上加入单极低通滤波器,如果此低通滤波器的截止频率远低于基波频率,则根据如图3所示的频响曲线,将使基频及所有高于基频的频率移相90,从而实现无功功率的计算。方法4:Hilbert滤波器法按照IEEE无功功率的理论定义,要求分别计算出各次谐波无功后,再进行求和,这就要求对各次谐波都能有精确的90移相,而一般的硬件滤波器很难做到这一点。最合理的方法是依靠DSP技术,采用专门的数字信号处理器进行希尔伯特(Hilbert)转换以保证测量带宽内所有频率的信号在幅频特性不变的同时而进行恒定的90精确移相,从而可以保证各次谐波无功功率测量的准确性,然后把各次谐波功率相加。这种处理方法完全符合电工和数学分析,所以即使对于相当高次谐波无功功率的测量,也能获得很高的测量准确度。3、一款优越的三相计量芯片ATT7022B是珠海炬力公司(Actions)继成功推出6款高集成度的单、三相电能计量芯片之后推出的又一款三相计量芯片。ATT7022B继承了炬力公司前期推出的四款三相计量芯片的成功经验以及客户使用建议,除了同样具有高可靠性、高精度、高稳定性、多功能等优点外,ATT7022B还特别增加了基波/谐波/视在电能测量功能。ATT7022B内部集成7通道的16位高精度ADC和24位高速DSP,采用16bit采样,采样速率为3.2ksps,能够准确地计量出电网中的21次谐波,在1000!1的动态范围内,有功功率和无功功率的线性度达到0.1%,电流电压的有效值测量精度可达0.5%。ATT7022B不仅可以计量电网中含谐波的总电能,还使用带通数字滤波器实现基波成分和谐波成分的分离,将电网中的基波电能和谐波电能进行分别计量,并记录基波电能和谐波电能的方向,为电力部门公平计费提供参考依据。4、结束语谐波对电能计量的准确性和合理性有极大的影响,而谐波下电能的定义、计量问题