淺談諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響

陳嵐

(臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院,浙江臺(tái)州 317000)

淺談諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響

陳嵐

(臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院,浙江臺(tái)州 317000)

諧波對(duì)電能表計(jì)量的精確度影響較大。隨著技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到大量的運(yùn)用,這些設(shè)備自身的非線性因素使電力、電壓電流波產(chǎn)生了畸變,由此產(chǎn)生了大量的諧波。諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)以及電力設(shè)備造成危害,由于現(xiàn)代電能表的計(jì)量方式是以基波為準(zhǔn)的,諧波的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重干擾電能表的計(jì)量方式,因此影響到了電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性。

諧波 感應(yīng)式電能表 電子式電能表 影響

1 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中加入的電力設(shè)備存在的非線性，產(chǎn)生了大量的諧波。諧波傳入電網(wǎng)以后，造成電力系統(tǒng)電壓、電流波形發(fā)生畸變，污染了電網(wǎng)的環(huán)境。同時(shí)由于電力供電公司是的通過電能表對(duì)用戶用電量進(jìn)行核算，因此，電能表計(jì)量結(jié)果是否準(zhǔn)確直接影響到供電公司的經(jīng)濟(jì)效益。電網(wǎng)中諧波的存在會(huì)對(duì)電能表計(jì)量產(chǎn)生影響，從而影響到電力計(jì)量的準(zhǔn)確度。

2 諧波的含義

2.1 諧波的定義

在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，人們總是希望得到正弦波的電流、電壓波形，但是由于大量非線性荷載的存在了，造成了電壓電流波形產(chǎn)生畸變。國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波定義為：諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。對(duì)諧波次數(shù)定義為：以諧波頻率和基波頻率之比表達(dá)的整數(shù)。一般規(guī)定電力系統(tǒng)工頻為基波頻率。在供用電系統(tǒng)中，正弦電壓可表示為，其中U為電壓的有效值；α為初相角；為角頻率。正弦電壓施加在非線性無源元件電阻、電感和電容上，其電流和電壓分別為比例積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā?/p>

圖1 感應(yīng)式電能表的頻率誤差特性曲線

圖2 電子式電能表的工作原理示意圖

圖3 電子式電能表的頻率誤差特性曲線

2.2 諧波的危害

諧波的危害是多方面的，不但會(huì)污染電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境而且會(huì)：

(1)造成電力系統(tǒng)設(shè)備損耗。

(2)影響電氣設(shè)備使用效果，縮短設(shè)備的使用壽命。

(3)造成測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確，對(duì)電力運(yùn)輸產(chǎn)生影響。

(4)引起局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使諧波放大，對(duì)電力系統(tǒng)造成危害。

(5)使通信系統(tǒng)受到干擾，引起通訊設(shè)備無法正常工作。

(6)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。諧波降低了設(shè)備的使用壽命，提高了電力生產(chǎn)成本，同時(shí)由于計(jì)量的誤差，對(duì)電力系統(tǒng)造成經(jīng)濟(jì)損失。

3 諧波對(duì)電能表電能計(jì)量影響

3.1 研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的對(duì)電能的計(jì)量方式是以線性負(fù)載為前提的，但是感應(yīng)式電能表的鐵磁元件是非線性的，因此在電力輸送過程中，電網(wǎng)中以及感應(yīng)式電能表繞組和圓盤中存在的諧波必然會(huì)影響電能表的計(jì)量結(jié)果。

上世紀(jì)對(duì)感應(yīng)式電能表的研究主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。如林杰的《諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究》一文較早探討了如何利用諧波測(cè)試技術(shù)對(duì)電能表計(jì)量進(jìn)行研究。韓宵漢在《電子式電能表的應(yīng)用淺析》一文中通過建立感應(yīng)式電能表的頻率響應(yīng)模型，來解釋諧波對(duì)感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差的影響。這種模型在研究中應(yīng)用范圍很廣。

電子式電能表的使用歷史較短，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)它的研究還不是很充分，主要集中于對(duì)電子式電能表的電路設(shè)計(jì)和工作原理的說明。國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)主要有趙淵的《電力系統(tǒng)諧波分析儀算法研究》；張伏生的《電力系統(tǒng)諧波分析的高精度FFT算法》；許文進(jìn)、麻壽光的《電子式三項(xiàng)功率變換器的設(shè)計(jì)》等。這些文章發(fā)表較早，為我國(guó)對(duì)電子式電能表的研究提供了借鑒的作用。隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人們開始研究如何提高電子元器件性能進(jìn)。韓松林《時(shí)分割乘法器式交流功率轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)誤差分析》，主要是對(duì)脈沖調(diào)寬器的相移誤差進(jìn)行研究。胡博《0.5級(jí)電子式電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》則建立了時(shí)分割乘法器的誤差仿真計(jì)算模型，進(jìn)行電子式電能表的計(jì)量誤差分析。

3.2 諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響

3.2.1 諧波對(duì)感應(yīng)式電能表計(jì)量的影響

當(dāng)感應(yīng)式電能表串聯(lián)到電網(wǎng)中以后，由于諧波的影響，使電能表內(nèi)的電壓線圈阻抗和轉(zhuǎn)盤阻抗發(fā)生改變，造成工作磁通發(fā)生改變，從而影響到感應(yīng)式電能表的計(jì)量精度。同時(shí)電能表內(nèi)部的鐵芯是非線性的，因而當(dāng)由諧波和基波疊加而成的電壓、電流波會(huì)發(fā)生畸變時(shí)磁通不能夠做出相應(yīng)的線性變化，磁通相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。磁通不與波形形成線性關(guān)系，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與平均率之間呈非線性的變化關(guān)系，造成了附加誤差的產(chǎn)生，從而影響到電能表計(jì)量的精確性。平均功率的產(chǎn)生是在同頻率的電流電壓下產(chǎn)生的。

存在諧波功率時(shí)電能值可以表示為：

可以通過研究畸變波形下電能表的運(yùn)作狀況來分析感應(yīng)式電能表的頻率特性。一般來說感應(yīng)式電能表頻率特性曲線平坦與否表明了其在諧波功率下的計(jì)量的精確程度。感應(yīng)式電能表的頻率誤差特性曲線如圖1所示。

由圖可知當(dāng)頻率在100Hz時(shí)，相對(duì)誤差達(dá)到最大值，之后隨著頻率的增大，相對(duì)誤差就會(huì)降低。之所以出現(xiàn)這么大的誤差主要是因?yàn)楦袘?yīng)式電能表內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤并非純電阻，其中含有感性成分，當(dāng)頻率增大時(shí)，阻抗角隨頻率的增大而增大，這樣電能表的轉(zhuǎn)速就會(huì)變慢，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

感應(yīng)式電能表的計(jì)量方式屬于全電能計(jì)量，不可能對(duì)對(duì)用戶進(jìn)行線性區(qū)分。對(duì)于線性用戶，基波與諧波功率方向一致，電能表計(jì)算時(shí)會(huì)包含諧波電能，造成線性用戶蒙受經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，還有受到諧波的危害。反之，對(duì)于非線性用戶，在自身消耗諧波的同時(shí)，會(huì)向電網(wǎng)反饋諧波，因此，計(jì)量結(jié)果小于基波電能。

3.2.2 諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響

電子式電能表是通過對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行處理并相乘轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出，通過計(jì)度器或數(shù)字顯示器顯示的一種新型測(cè)量?jī)x表。電子式電能表具有防竊電能力強(qiáng)、計(jì)量精度高、負(fù)荷特性較好、誤差曲線平直、功率因數(shù)補(bǔ)償性能較強(qiáng)、自身功耗低的特點(diǎn)。

電子式電能表計(jì)量原理是采用集成運(yùn)算放大器按時(shí)分割原理，通過測(cè)量和計(jì)算電路的電壓與電流的乘積，之后由V/F轉(zhuǎn)換器將乘積轉(zhuǎn)換為為脈沖信號(hào)，將計(jì)量結(jié)果顯示出來。電子式電能表計(jì)量特點(diǎn)在于當(dāng)電路中的電壓與電流波只有一個(gè)發(fā)生畸變，且另一個(gè)正常時(shí)，電子式電能表的計(jì)量誤差很小，可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)電壓與電流波都發(fā)生畸變時(shí)，由于電子式電能表比感應(yīng)式電能表又有更寬的頻率，就可以進(jìn)行諧波功率的計(jì)量。這樣導(dǎo)致了電子式電能表計(jì)量時(shí)會(huì)把基波功率和諧波功率一同進(jìn)行計(jì)量，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致計(jì)量誤差大大超過感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差。電子式電能表的工作原理如圖2所示。

電子式電能表的工作原理如下。電能表首先對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，將采樣的信號(hào)通過模擬乘法器得到功率，在經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換器將功率轉(zhuǎn)化為頻率，通過頻率來對(duì)電能值進(jìn)行計(jì)數(shù)。從電子式電能表的整個(gè)工作流程來看模擬乘法器的準(zhǔn)確度直接決定了電子式電能表的計(jì)量準(zhǔn)確度。在使用電子式電能表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于電網(wǎng)中的電壓、電流需要進(jìn)行互感器轉(zhuǎn)換才能送入電能表之中，所以互感器的準(zhǔn)確度也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。如果所用的互感器是存在非線性，同感應(yīng)式電能表一樣，畸變信號(hào)經(jīng)過互感器以后，對(duì)諧波成分不相同，造成了最終誤差變大。電子式電能表的頻率誤差特性曲線如圖3所示。

由上圖可知，電子式電能表的相對(duì)誤差曲線較為平坦。誤差的變化幅度不大。在數(shù)值計(jì)算時(shí)，由于電子式電能表是將電壓和電流的瞬時(shí)值分別采樣并作運(yùn)算，也沒有將基波和諧波加以區(qū)分，所計(jì)量的是基波電能和和各次諧波電能之和，因此，電子式電能表也是全電能計(jì)量方式。電子式電能表是也是以總的畸變波形進(jìn)行計(jì)算的，其計(jì)量原理與感應(yīng)式電能表的計(jì)量方式相似，都是全電能計(jì)量。因此對(duì)于線性用戶來說，仍然是會(huì)交諧波部分的電費(fèi)，對(duì)于非線性用戶來說，電能表會(huì)少計(jì)量電能。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的向新城市、新領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)電能表計(jì)量的高效性、準(zhǔn)確性、智能性提出了更高的要求。目前來來看針對(duì)電能表計(jì)量的精度問題是未來的研究趨勢(shì)。如何更好的進(jìn)行電能計(jì)量，及時(shí)調(diào)整電能表的誤差，減少諧波的影響，進(jìn)而保護(hù)好發(fā)電企業(yè)、供電企業(yè)和用戶三者之間的共同利益。對(duì)未來電力企業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

[1]王琨,諧波對(duì)電能計(jì)量的影響與對(duì)策[J].通信電源技術(shù),2014年01期.

[2]張鵬展,艾欣,楊以涵,諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究[J].現(xiàn)代電力,2002年08期.

[3]王楨,電網(wǎng)諧波對(duì)電能計(jì)量的影響[J].低壓電器,2012年22期.

[4]羅松濤,諧波背景下電子式電能表計(jì)量誤差量化分析[D].鄭州大學(xué)碩士論文,2012年.