諧波對電能計量影響的分析及對策

高銘翔

摘要：電力系統(tǒng)中非線性設(shè)備產(chǎn)了大量的諧波，造成電網(wǎng)中電壓波形的畸變，這不僅對供電系統(tǒng)和電力設(shè)備造成危害，還對電能計量造成嚴(yán)重影響。文章通過分析電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，對電能計量中諧波影響的因素分析，來提高電能計量的準(zhǔn)確度和合理性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；電能計量

中圖分類號：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）15-0107-03

諧波是一種具有周期性的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍，但幅值相對基波較小。電力行業(yè)中電能計量儀表一般是以正弦波形為工頻進(jìn)行設(shè)計的，所以在有諧波存在的情況下，使得電能計量產(chǎn)生誤差。電力電子技術(shù)的發(fā)展和用電設(shè)備的廣泛使用，非線性負(fù)荷數(shù)量和容量增大，諧波被大量注入電網(wǎng)，造成電壓和電流產(chǎn)生畸變，電能的質(zhì)量也會下降。電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備也會受到一定的影響，如測量儀器、輸電設(shè)備、通訊設(shè)備、計量儀表等。其中電能計量是電力系統(tǒng)收費(fèi)和經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)，其計量精度直接關(guān)系電力供需雙方的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。供電部門采用的感應(yīng)式電能計量表，其使用方便、性能穩(wěn)定、便于維護(hù)、成本低等特點(diǎn)，由于感應(yīng)式計量表工作在很窄的頻帶內(nèi)，當(dāng)電壓和電流出現(xiàn)畸變，其計量會不斷增大，直接影響了用戶和電力部門的利益。因此，研究諧波對電能計量的影響以及如何減小電能計量誤差，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1諧波產(chǎn)生原因分析

對于諧波源而言，通常會發(fā)出幾種特定頻率的諧波，其諧波功率凈值為正值。諧波電流源是主要的諧波源，因為當(dāng)端電壓是正弦波形，其電流也不一定是正弦波。由于基波在和電源相連是會反饋諧波電流到電力系統(tǒng)中，其本身的基波功率不會完全消耗，并返回到電源系統(tǒng)中。電力變流設(shè)備和非線性負(fù)荷在使用的過程中都會產(chǎn)生諧波，主要原因可以總結(jié)如以下三點(diǎn)：

1.1發(fā)電原因

發(fā)動機(jī)的三相繞組制作無法做到完全對稱，鐵心的質(zhì)地也會存在不均勻的情況，所以在發(fā)動機(jī)工作時產(chǎn)生諧波。

1.2輸配電系統(tǒng)原因

變壓器產(chǎn)生的諧波是輸配電系統(tǒng)最主要諧波源。變壓器磁化曲線呈非線性，在鐵心飽和的情況下，變壓器的磁化曲線工作在接近飽和段上，使得變壓器磁化電流出現(xiàn)尖項波形，同時也出現(xiàn)了奇次諧波。實(shí)際經(jīng)驗表明，當(dāng)鐵心飽和度越高，其產(chǎn)生的諧波電流也越大。

1.3用電原因

在電氣設(shè)備的使用過程中，特別是晶閘管整流元件容易產(chǎn)生諧波。由于在日常生活中，如充電設(shè)備、電力機(jī)車、電源開關(guān)等都會使用到晶閘管整流元件。另外，單相整流電路裝置連接到感性負(fù)載時會產(chǎn)生奇次諧波電流，其中3次諧波的含量達(dá)到基波的30%；在接容性負(fù)荷時則產(chǎn)生奇次諧波電壓，諧波含量隨電容值的增加而增加。

2諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差分析

2.1諧波對電能計量準(zhǔn)確性的影響

電能計量的準(zhǔn)確性取決于是否能夠準(zhǔn)確計量基波和諧波的總電能。感應(yīng)式電能表和電子式電能表是電力系統(tǒng)中常用的電腦計量表。電能計量表中的感應(yīng)轉(zhuǎn)盤在諧波的作用下回產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，使得測量產(chǎn)生誤差和精度降低。

2.1.1電磁感應(yīng)式電能表

在工頻變化較窄的情況下，一般采用感應(yīng)式電能表，當(dāng)電壓和電流為正弦波時期計量最為準(zhǔn)確。電磁感應(yīng)式電流表根據(jù)基波原理進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)有高次諧波分量的電壓和電流通過時，其旋轉(zhuǎn)圓盤的阻抗會發(fā)生變化，同時電壓線圈的阻抗亦發(fā)生變化，導(dǎo)致電能計量器內(nèi)部的電流磁通和電壓磁通發(fā)了變化，使得電磁轉(zhuǎn)盤的在磁通的作用發(fā)生變化，產(chǎn)生了電能計量誤差。由于基波和諧波在疊加時會產(chǎn)生波形畸變，磁通通過非線性的鐵心時，隨著波形的變化而產(chǎn)生非線性變化。在電能計量表中產(chǎn)生的畸變電流和電壓通過電磁元件后，磁通的波形不會產(chǎn)生對應(yīng)的變化，電能計量表在計算功率時，其電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際計量所得的功率不相符。

2.1.2全電子式電能表

全電子式電能計量器主要依靠其內(nèi)部的CPU來進(jìn)行計量，CPU對不同頻率的正弦電壓和電流進(jìn)行采樣和計算，并通過內(nèi)部設(shè)置的程序計算所消耗的電能值。電子式計量表對負(fù)載基波和諧波產(chǎn)生的功耗和電量進(jìn)行了計算，理論上排除了基波和諧波產(chǎn)生的誤差。但由于諧波電流的方向會發(fā)生變化，并且計量表將基波產(chǎn)生的電能和諧波產(chǎn)生的電能相加，導(dǎo)致諧波流向負(fù)載時，計量表記錄下的電能比實(shí)際基波消化的偏小，從而出現(xiàn)了計量誤差。另外，全電子式計量表會收到外界的溫度、電壓和頻率等的影響下也會產(chǎn)生誤差。

2.2電能計量方式分析

在諧波作用下，電能計量主要有以下三種方式：（1）電能計量表應(yīng)準(zhǔn)確地反應(yīng)基波和諧波的綜合功率，這種同時計算基波和諧波功率的方式被稱為電能全計量方式，也是當(dāng)前普遍使用的計量方式；（2）電能計量表值計算基波功率，不計算諧波功率，稱為基波電能方式；（3）電能計量表分別計算諧波功率和基波功率，稱為諧波電能方式。

在諧波作用下，采用電能全計量方式會使得電能計量的準(zhǔn)確性和合理性產(chǎn)生矛盾。為了解決上述問題，首先必須通過實(shí)驗的方法，在諧波環(huán)境下對電能的計量進(jìn)行定性分析，并得出其規(guī)律。主要采用的方法有：（1）諧波測試方法。其原理較為簡單，通過諧波檢測儀直接檢測諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差，并進(jìn)行定量和定性的分析；（2）仿真實(shí)驗方法。通過利用波形發(fā)生器，記錄產(chǎn)生的波形信號，在輸入到實(shí)驗用電能表進(jìn)行分析，從而得到電能表誤差的原因。

3提高計量準(zhǔn)確性和合理性的對策

電能計量表誤差的研究，首先要建立好一個誤差模型，并確定好參數(shù)和量化概念，全面分析諧波對電子式電能表和感應(yīng)式電能表的影響。但限于技術(shù)原因，基波消耗的能量和諧波消耗的能量很難進(jìn)行精度的計算。如果對諧波源用戶重新分配電價，則供電公司就受到損失，而對非諧波源用戶會造成損失。要準(zhǔn)確的對電能進(jìn)行計量，主要在于區(qū)分有用基波功率和無用諧波功率。

3.1提高計量準(zhǔn)確性的對策

由于電能計量表只計量了基波功率，故首要問題就是要濾除諧波。濾除諧波可以采用硬件實(shí)現(xiàn)方式和軟件實(shí)現(xiàn)方式，但主要使用的是硬件實(shí)現(xiàn)方式。硬件實(shí)現(xiàn)是選擇合適的截止頻率，在通過高階低通濾波器阻止高次諧波進(jìn)入電能表，達(dá)到消除諧波保留了基波。軟件方式，一般使用傅里葉算法來消除諧波保留基波。過濾諧波方式，對于受到諧波影響的電力部門和線性用戶來，避免了因諧波產(chǎn)生的額外功率。但對于非線性用戶來，諧波產(chǎn)生的電能費(fèi)用，使得電力系統(tǒng)因諧波的影響而遭受損失。

下面討論分別計量諧波和基波功率的方式，并區(qū)分正負(fù)功率。該方式采用的智能電表具有一個單片機(jī)核心處理單元，利用快速傅里葉算法進(jìn)行頻譜分析，準(zhǔn)確的計量基波和諧波功率。其計量是否合理，區(qū)分了基波功率和諧波功率，對非線性用戶產(chǎn)生的諧波功率有一定的懲罰作用，來彌補(bǔ)電力部門的損失。但其使用較為困難，且成本高昂。

3.2提供計費(fèi)合理的對策

為了做到電能收費(fèi)的合理性，在對用戶征收基波電能電費(fèi)時，可以征收附加電費(fèi)。尤其對于非線性用戶，在電網(wǎng)中注入的諧波電能往往不盡相同，必須采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)制，收取一定的懲罰性電費(fèi)，設(shè)用戶消耗的總電能為E，負(fù)載消耗的電能為E1，則電網(wǎng)中諧波電能損耗為Ek=E-E1，其中Ek>0表示為非線性負(fù)載，Ek<0為線性負(fù)載。則向用戶征收的電費(fèi)為FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波電能電價，DH為非線性用戶的懲罰性電價，線性用戶DH=0。通過上述計量方式，可以定量和合理地計量非線性和線性用戶的電能消耗，解決了諧波對電能計量產(chǎn)生的不合理性。

4結(jié)語

本文分析了諧波的產(chǎn)生原因以及諧波對電能計量的影響，在輸配電和用戶用電過程中都會向電網(wǎng)注入諧波功率，影響了電能計量的準(zhǔn)確性和合理性。在電能計量過程中，最主要的問題是將基波功率和諧波功率分開，通過分頻技術(shù)對基波電能和諧波電能進(jìn)行分別計量，對吸收諧波電能的用戶，應(yīng)與一定的補(bǔ)償；而對向電網(wǎng)中注入諧波的用戶收取一定的懲罰性收費(fèi)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中嚴(yán)格管理好非線性負(fù)荷，減少諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差，使得用戶和企業(yè)都可以從中受益。

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（責(zé)任編輯：文森）