DOC《计及谐波的功率因数测量方法*》

1 谐波的产生 国际上公认的谐波含义是:谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整倍数、由于谐波的频率是基波频率的整数倍数,也常被称为高次谐波.电网中的电力谐波主要来源于以下三种:(1)电源质量不高所产生的谐波;

(2)输变电网产生的谐波;

(3)非线性设备产生的谐波.而非线性负载的大量使用,已成为电网中的最大谐波源.本文以变压器、电弧炉、变频装置这3种典型的谐波源为例,分析它们产生谐波的物理过程. 1.1 来源于变压器 由于经济的原因,变压器所使用的磁性材料通常工作在接近非线性或就在非线性区域.在这种情况下,由于电感系数L不为常数,即使变压器所加的电压波形是正弦的,励磁电流波形也会是非正弦的,同理,励磁电流为正弦波形,变压器两端电压为非正弦波形. 1.2 来源于电弧炉 电弧炉的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的.电弧炉是通过利用电极与熔化的金属炉料之间产生的电弧来放出热量炼钢的,电极间介质出现的反复不规则的开路或短路,造成电弧极不稳定,因此电弧炉熔化期负荷很不稳定,使得其电流谐波频谱及其复杂,电弧炉工作在熔炉的时候会产生很大的谐波电流,而且存在电压波动和闪变[11]. 1.3 来源于变频装置 电网中,变频装置产生的谐波主要是5和7次谐波.变频器从结构上可分为间接变频和直接变频两类.间接变频就是通过整流器将工频的电流变成直流,再经过逆变器将直流变成可控频率的交流.而直接变频器则是将工频交流变换成可控频率的交流,没有中间的直流环节.目前应用较多的是间接变频器.而无论是哪种结构的变频器,大都采用电力电子元件,变频器以脉动的断续方式从电网中吸取能量,这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上,使电压发生畸变,这种非正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成.

2 谐波背景下功率因数计量模型的合理性分析 原国家物价局和水利电力局于1983年联合发布了《功率因数调整电费办法》,该标准规定了功率因数的考核方式和收费标准.凡实行功率因数调整电费的用户,采用防倒装置的无功表计量无功功率,功率因数的具体计算公式如下: (1) 采用图1所示的电力系统等值电路,电源为工频正弦电压源u(t),不计电源内阻和线路感抗,r和l分别为线路等值电阻和电抗,ZL为用户2的无源线性负荷等值阻抗;

ZNL为用户1的谐波源负荷等值阻抗. 图1 电力系统等值电路 Fig.1 Equivalent circuit of power system 由图1可计算用户1的功率因数为: (2) (3) 式中 h为谐波频次,h=2,3,4...;

PNLh为用户1的h次谐波有功功率;

无功功率Q采用防倒装置的无功表计量,由于基波无功功率Q1和各次谐波无功功率Qh均取其绝对值,则无功功率之和Q大于基波无功功率Q1. 根据谐波功率责任判定方法(供电电源为正弦电压波形的系统中,无源线性负载的有功功率大于0,谐波源负载产生的有功功率小于0),可知: (4) 则: (5) 即: (6) 所以,用户1的功率因数小于基波功率因数,说明非线性用户的功率因数值在谐波环境下有相应的变小.而对于用户2,功率因数为: (7) 由于: (8) 式中 PLh为用户2的h次谐波有功功率.实际的工业中,较多的用户为阻感性负载,所以当用户为阻感性线性负载时,有: (9) 由式子可知,当用户为阻感性无源线性负载时,用户的功率因数小于基波功率因数.这表明,采用现有的功率因数计量模型,相比于正弦系统,谐波环境下的用户功率因数值较小,所以,当降低幅度较大时,根据《功率因数调整电费办法》,线性用户需要支付更多的电费.线性用户不仅受谐波危害,还要支付更多的电费,这是十分不合理的.从功率因数计算公式可以看出,该模型存在不合理之处是由于其未考虑谐波责任分配的问题,因此,对谐波污染严重的电网而言,采用计及谐波的方法计量功率因数会更加合理、可靠、准确.基于此,本文将提出一种可明显降低功率因数计量误差的计及谐波的功率因数计量新模型.