非线性负荷对电能计量影响的探讨

非线性负荷对电能计量影响的探讨

宋明玉陈嵩峰

（国网四川省电力公司乐山供电公司四川乐山614000）

摘要：电能计量工作是极为重要的，在计量的过程中，我们要考虑到非线性负荷对电能计量的影响，并明确其计算的原理和方法，才能够为当下的电能计量工作提供更多的思路。本文主要研究了非线性负荷对电能计量的影响，并提出了基于补偿器的电网电能质量优化方案，供今后的电能计量工作参考和借鉴，提升计量的水准。

关键词：非线性负荷，电能计量，影响

前言

为了可以更加准确的对电能计量工作进行把握，要从非线性负荷的角度来着手，从而让电能计量工作变得更加的有水平，也保证电能计量工作的准确性，避免各类因素对其造成不利的影响。

1、电网电能质量标准概述及非线性负荷电能计算原理

1.1电网电能质量标准概述

电能质量指的是优质供电，为了对电能质量进行更加准确的分析，本节从供电质量、用电质量、电压质量和电流质量四个方面进行阐述，以期为电能计量和质量优化提供改进方向。

1）供电质量：供电质量可以从技术含义与非技术含义两个方面进行评述。其中技术含义主要指的是电压质量与供电的可靠性；而非技术含义指的是供电部门与用电个体之间的和谐程度。

2）用电质量：对于用电质量的评述也可以从技术含义方面的电流质量和非技术含义方面的缴费信誉两个方面进行。

3）电压质量：一般可以用给定电压与理想电压之间的偏差情况反映电压的质量。出现的偏差大，则电压质量差；出现的偏差小，则电压质量好。

4）电流质量：对于电流质量的评述，一般从电流谐波、间谐波、次谐波和噪声等方面进行，反映的是电流与理想正弦波形之间的偏差情况，同理给定电流与理想的正弦波形电流之间的偏差程度可以衡量电流质量的优劣。

因此，电能质量的定义可以总结为“导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差”，定义中的“偏差”除了包含供电系统的稳态性能外，还包括暂态性能。对于电能质量标准指定的任务，主要从当前的技术水平出发，以一定的电能质量指标偏差的允许值进行衡量，这样就引出了电能质量标准的合理性评判，电能质量标准的根本准则具体如下：

1）能够保证电力系统的安全、连续供电以及经济运行。

2）能够保证用电个体的电气设备正常用电。

3）在当前的技术水平下，电能质量指标偏差值达标。

对于电能质量评价的主要指标，可以从电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和善变以及三相电压不平衡五个方面进行，其中谐波指的是一个周期电气量的正弦波分量，谐波产生的原因主要有如式（1）所示的电流源、如式（2）所示的非线性时不变负荷两端的电流和如式（3）所示的时变负荷的电流特征。

式中，ω1为输入电压的频率，当ωg是ω1的偶数倍时，（it）中的频率是ω1的奇数倍；而当ωg是ω1的奇数倍时，（it）中的频率就是ω1的偶数倍。通过谐波产生的三种原因可知，系统谐波长是某些负荷或设备的非线性特征，也就是说电压和产生的电流之间的关系呈非线性。

1.2非线性负荷电能计算原理

我国电网中的非线性负荷逐年增多，张晓冰于2007年提出了一种对非线性负荷条件下电能准确合理计量的新方法，即消耗的电能应为全电能与畸变电能之差。为了对非稳态畸变信号条件的交流电网信号进行研究，本节对电网模型进行了如图1所示的简化处理，图1中，u（t）为电网的正弦电压源电压；（it）为电网的电流；ZL为电网线路的阻抗，其中Z为非线性负荷的阻抗。

图1中，点a处的电压u（at）和流入点a处的电流i（t）可以表示为

式中，PB为非线性负荷吸收的基波平均功率；PS为非线性负荷吸收的畸变平均功率；PBS为非线性负荷吸收的基波电压与畸变电流产生的平均功率；PSB为非线性负荷吸收的畸变电压与基波电流产生的平均功率。式（6）中的四种平均功率根据功率潮流方向分析可以得出如下结论：

1）若Pa≤0时，则表示基波电压与基波电流所产生的功率为非正功率。

2）若PBS＜0时，则表示基波电压与畸变电流产生的功率为负功率。

3）若PSB＞0时，则表示畸变电压与基波电流产生的功率为正功率，以基波电流的形式回馈到电网，会对电网的质量产生影响。

4）若PS＞0时，则表示畸变功率为非负功率，此时以畸变电流的形式反馈给电网，并且对电网电能质量不产生影响。

由此可知电网供电的电能平均功率P计算式为

若对畸变信号进行研究，首先需要对基波信号进行滤波处理，本节采用自适应陷波器对基波信号进行滤除，最终得出畸变信号；然后再对畸变信号进行分析，得出非线性负荷对电网质量影响的根源，以期为电网电能质量的优化提出可行性建议。

本文的自适应陷波器选用的是LMS算法，若用d（k）表示对原始输入信号采样后得到的样本信号，用x1（k）和x2（k）分别表示对与当前基波频率相同的纯正弦波离散后得到的参考输入和经过90°相移后的参考输入，用e（k）表示最终输出，则最终畸变信号e（k）的权矢量方程表示为

式中，w1（k）和w2（k）表示的是两个权值，其目的在于作用组合后的正弦波振幅与相角能够和原始输入中的干扰分量的相角与振幅相同，这样就可以使最终输出e（k）中的频率ω0的干扰消除，为获取更加精准的畸变信号提供了基础；参数μ表示的是控制算法收敛速度与稳定性的参量，如果采样周期用符号T表示，可以得出Z变换陷波器的传递函数，即

2、基于补偿器的电网电能质量优化方案

2.1补偿器控制原理分析

补偿器用来消除电网局部非线性负荷谐波和不平衡的影响，并且在此基础上向非线性负荷提供预先指定量的有功功率，为电流和电压的平稳化过程提供补偿，因此从补偿的期望效果分析可知，经过补偿器后的电网电流和电压会出现平衡的现象，三相交流电流在平衡状态下节点处的电流加和为0，同时电压的平均值会出现恒定的状态，变换器的单相等效电路如图3所示。

图中，uVdc1为变换器输出电压，其中u的取值为＋1或－1，表示的是开关函数，而变换器控制的主要作用是产生开关函数，因此选择如式（10）所示的状态矢量。

式中，vp1为公共连接点处的电压，且有vp1＝vcf，则系统的状态矢量空间可以表示为

2.2补偿器电网电能优化效果分析

补偿器电能质量优化算法的仿真环境为PSCAD/EMTCD，与一个地区的电网共同分担负荷时。运用补偿器对公共负荷变化下PCC1和PCC2两个公共连接点处的电网电能质量指标参数进行控制，可以在局部范围内达到电能质量优化的效果。

3、结束语

综上所述，为了能够进一步提升电能计量的工作水平，一定要在工作的过程中积极做好各类工作，基于补偿器的电网电能质量优化方案可以为今后的电能计量工作带来更多的参考，进一步避免非线性负荷带来的影响。

参考文献：

[1]陈金玲,罗孝龙,蒋亮,张忠怀,李红斌,易龙强.自适应陷波器在非线性负荷电能计量中的应用[J].电测与仪表,2016,01:10-12.

[2]卿柏元,李俊健,吴晓明,杨有贤.非线性负荷下电能计量的实用化技术探讨[J].南方电网技术,2016,S1:56-59.