考虑谐波污染时用户电量的计量

考虑谐波污染时用户电量的计量同向前,薛钧义(西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市710049)摘要:在电力市场条件下,电能计量中考虑用户谐波对电网的影响和电网背景谐波对用户的影响是必然的。

文中通过对公共连接点(PCC )谐波电能性质的分析,提出了有无谐波情况下均可按照用户与电网的PCC 的基波电能进行电力用户电量计费的统一计量方法。

理论分析和现场实测结果表明,考虑到电网谐波能耗时,所有电力用户的计费电量应是该用户从电网吸收的基波电能量,而不应是用户实际消耗的电能量。

关键词:电量计量;谐波能量;电能损耗;用户计费电量中图分类号:TM 93314收稿日期:2002204212。

0　引言随着用电设备种类的日趋复杂,投入电网的各种非线性负荷日益增多,如计算机、调速电机、电炉、整流电源以及包括FA CT S 在内的各种电力电子设备等。

非线性负荷的使用会在电网中产生谐波电流和谐波电压,造成谐波污染,并在电网和电力用户中产生附加的谐波电能损耗。

在电力市场条件下,电网的谐波电能损耗由谁来承担以及如何计量这部分能耗是电网运营者和电力用户共同关心的问题。

我国学者曾明确提出,电能计费系统应能考虑电能质量因素[1]。

文献[2]从不同角度提出并讨论了电网谐波污染及其治理的收费问题,但如何从用户计费电量的计量上体现污染与被污染问题尚未见论述。

文献[3,4]讨论了谐波对电能计量的影响。

文献[5]虽提出了按谐波电能调整电费的原则,但由于技术原因难以实施。

本文通过对公共连接点(PCC )处谐波电能性质的分析,讨论了电网谐波电能损耗的合理分担,并提出用户计费电量的统一计量方法。

1　谐波分析模型图1为单端供电的通用配电网的结构示意图,电源u S 通过配电网供电给有限个电力用户U 1,U 2,…,U n 。

设u S 为正弦电压源,U 1,U 2,…,U n 为n 个独立的线性或非线性电力负荷用户,图中线段为有阻抗配电网络。

当n 个用户均为线性负荷时,配电网中不存在高次谐波。

但只要有一个用户存在非线性负荷设备,高次谐波电流和谐波电压就会出现,并在配电网及其他用户中产生附加的谐波电能损耗。

图1　配电网示意图F ig .1　Sketch of d istr ibution network对于某个具体的电力用户而言,由其他非线性负荷用户在该用户与电网的公共连接点(PCC )处所产生的谐波电压表现为背景谐波。

因此,在分析某个特定用户与配电网的相互影响时,可以将单一正弦电压源供电的多用户配电网等效为一个由多电源(正弦电压源与背景谐波源)供电的单用户电网,如图2所示。

图2　配电网谐波分析等值电路F ig .2　Equiva len t c ircuit for har m on ic ana lysis图2中:u S 为正弦电压源;u S .H 为受控于其他非线性负荷的背景谐波源,当电网无背景谐波时,u S .H =0;Z L 为该用户的等值线性阻抗;i L.H 为该用户中非线性负荷设备产生的高次谐波电流,对于电力电子设备而言,该电流常受控于基波负荷电流,当该用户为线性负荷时,i L.H =0。

2　PCC 谐波能量及其性质211　谐波能量由图2可知,PCC 的谐波电压和谐波电流由u S .H 和i L.H 共同产生。

理论上讲,只要电网中有一个非线性负荷,则PCC 的电压和电流中必将含有高次35第26卷　第22期2002年11月25日 V o l .26　N o.22N ov .25,2002谐波成分。

设PCC 的电压和电流分别为:u =u 1+u H =u 1+∑h ≠1u h(1)i =i 1+i H =i 1+∑h ≠1ih(2)式中:u h =2U h sin (h Ξt +Υh );i h =2I h sin (h Ξt +7h )。

则PCC 的功率为: P =1T∫T 0u i d t =1T ∫T(u 1+u H )(i 1+i H )d t =1T ∫Tu 1i 1d t +1T ∫Tu H i Hd t +1T ∫T 0u 1i Hd t +1T ∫Tu H i 1d t 考虑到不同谐波之间的正交性,有:1T∫T0u 1i H d t =01T ∫Tu H i 1d t =01T∫Tu H i Hd t =∑h ≠11T ∫Tu h i hd t 于是,PCC 的功率和电能分别为:P =1T∫Tu 1i 1d t +∑h ≠11T ∫Tu h i h d t =P 1+P H(3)　E =∫P d t =∫P 1d t +∫P H d t =E 1+EH(4)式中:P 1,E 1分别为基波功率和电能;P H ,E H 分别为谐波功率和电能。

212　谐波能量的性质式(4)表明,电力用户所耗电能量由基波电能和谐波电能构成。

但是,对于不同的电网工况和用户负荷性质,谐波电能的性质截然不同。

工况1　u S .H =0,i L.H =0电网无背景谐波,用户为线性负荷,这是一种理想情况。

此时,P H ≡0,E H =0。

工况2　u S .H =0,i L.H ≠0电网无背景谐波,但用户有非线性负荷。

此时,P H <0,E H <0,说明E H 为用户注入电网并耗散在电网等值电阻上的电能量,用户对电网呈谐波发生源。

工况3　u S .H ≠0,i L.H =0电网存在背景谐波,但用户为线性负荷。

此时,P H >0,E H >0,说明E H 为电网注入用户并耗散在用电设备上的电能量,用户对电网呈谐波吸收源或谐波滤波器。

工况4　u S .H ≠0,i L.H ≠0电网存在背景谐波,且用户中有非线性负荷,这是一种最为普遍的情况。

此时,P H 的大小和极性取决于电网与用户两个谐波源之间的相互作用。

在某一时期用户谐波作用强,P H <0;而另一时期电网背景谐波作用强,则P H >0。

此外,也会出现某些次谐波功率为正而另一些谐波功率为负的情况。

表1所示谐波功率的实测结果充分表明了这一点。

表1　某单位烧结炉车间在不同运行时期的谐波功率Table 1　Har m on ic power of loads i n a si n ter i ng furnace workshop under d ifferen t work i ng per iodsk W序号总功率基波3次谐波5次谐波7次谐波11次谐波13次谐波1115124　0.0-2.5-6.0　0.0　0.02382384　0.1　0.2-1.5-0.6　0.03151151-0.1-0.2-0.3-0.1-0.14450452　0.2　0.2-1.3-0.9　0.05297298　0.2-0.2-1.1-0.6　0.06109109　0.1　0.1-0.3-0.1-0.1注:测试仪器采用日本日置公司H I O K I 23166电力分析仪。

在工况4下,E H 应能双向测量。

E H 为电网背景谐波源注入用户的谐波能量与用户谐波源注入电网的谐波能量之差,即E H 为用户从电网吸收的谐波净能量,或-E H 为用户注入电网的谐波净能量。

若E H <0,说明此段时间内用户总体上呈现为一个谐45　波发生源;若E H >0,则说明此段时间内用户总体上呈现为一个谐波吸收源。

显然,工况4是一种通用情况,前面3种工况可以看做是工况4的特例。

在谐波分析中,只要按工况4考虑即可。

3　计费电量的计量计费电量是指向电力用户征收电费的电能量。

本文对计费电量的讨论基于以下两点共识:a .发电机提供的电源近乎纯正弦波电压源,因而,电网中消耗的谐波能量是由电网中各个电力用户的非线性负荷引起的。

因此,由某个电力用户所引起的配电网谐波电能损耗理应由该用户来承担。

b .电力用户希望电网提供纯正弦波电压源,因而,由电网背景谐波源在电力用户中引起的谐波电能损耗理应由电网来承担。

据此,电力用户在配电网中引起的附加谐波能耗应该与电网背景谐波在该用户中引起的附加谐波能耗相互抵扣。

因此,纳入用户计费电量中的配电网附加谐波能耗应为用户注入电网的谐波净能量,即-E H 。

于是,电力用户的计费电能E C 应等于用户实际消耗的能量E 与由用户发出并耗散在电网中的谐波能耗-E H 之和,即:E C =E +(-E H )(5)将式(4)代入式(5),得到:E C =E 1(6)因此,不论电网是否含有背景谐波,也不管电力用户是否含有非线性负荷,可以统一按照用户与电网的PCC 的基波电能来计量。

采用电子电能表可以测取PCC 的基波电能E 1和总电能E 。

此外,用式(4)可以计算用户注入电网的谐波电能E H ,并利用配电网SCADA 系统来收集电网各用户注入电网的谐波电能,从而通过分析、比较确定电网的主要谐波源。

4　结语电力系统谐波作为电能质量的一个重要方面日益受到供电与用电两方面的重视,在有谐波情况下如何计量用户电能是电力市场条件下一个亟待解决的现实问题。

本文经分析表明,就计费电量的计量而言,用PCC 的基波电能作为用户计费电量是合理和可行的,它考虑了电网与用户在谐波电能损耗方面的相互影响。

参考文献1　韩英铎,严干贵,姜齐荣,等(H an Yingduo ,Yan Gangui ,J iang Q irong,et al ).信息电力与FA CT S 及D FA CT S 技术(E lectric Pow er in Info rm ati on Society and FA CT S &D FA CT S ).电力系统自动化(A utom ati on of E lectric Pow er System s ),2000,24(19):1～72　Javis E J ,Em anuel A E ,P ileggi D J .H armonic Po lluti on M etering :T heo retical Considerati ons .IEEE T rans on Pow erD elivery ,2000,15(1):19～233　Dom ijan A ,Em briz 2Santander E,Gilani A.W att 2hour M eter A ccuracy U nder Contro lled U nbalanced H armonic V o ltage and Current Conditi ons .IEEE T rans on Pow er D elivery ,1996,11(1):64～704　赵建国(Zhao J ianguo ).电能计量中的谐波分析(H armonics A nalysis in Energy M easurem ent ).中国电力(E lectric Pow er ),1997,30(12):21～245　文　俊,涂大石(W en Jun,T u D ash i ).对负载与谐波及电能计量问题的分析(A nalysis on the P roblem s of L oads ,H armonicsand E lectric Pow er M easurem ent ).电测与仪表(E lectricalM easurem ent &Instrum entati on ),2000,37(12):12～14同向前(1961—),男,博士研究生,副教授,主要从事电力电子技术与电能质量的教学和科研工作。