關(guān)于有功電能計(jì)量中諧波作用的思考

向洋田

（國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000）

0 引言

隨著有功電能計(jì)量的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，非線性負(fù)荷量逐漸增加，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重，影響了電能質(zhì)量。諧波不僅會導(dǎo)致電壓負(fù)荷無法正常運(yùn)行，同時(shí)也會對有功電能計(jì)量產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致最終的計(jì)量結(jié)果不準(zhǔn)確。有功電能計(jì)量是電力企業(yè)以及輸配電企業(yè)、用戶之間進(jìn)行交易結(jié)算的重要組成部分，一旦在有功電能計(jì)量中存在誤差，將會對三者之間的權(quán)益產(chǎn)生影響，因此需要對諧波在有功電能計(jì)量中的負(fù)面作用進(jìn)行控制。

1 諧波的產(chǎn)生和影響

1.1 諧波的產(chǎn)生

諧波指的是在周期電氣量中的正弦波分量，諧波頻率是基波頻率的整數(shù)，電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，需要使用大量的電力設(shè)備以及用電整流設(shè)備，以上電力設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行的過程中，會產(chǎn)生非線性負(fù)荷，正弦基波電壓對非線性負(fù)荷進(jìn)行施壓之后，電壓與電流會呈現(xiàn)出不成性關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)致波形出現(xiàn)畸變。發(fā)生畸變的電流會對配電設(shè)備產(chǎn)生影響，主要包括變壓器以及導(dǎo)線等，同時(shí)產(chǎn)生畸變電壓，對負(fù)荷產(chǎn)生影響?；冸娏鲿ㄟ^電力系統(tǒng)進(jìn)入電力設(shè)備中，電力設(shè)備將其分解為基波和諧波，最終產(chǎn)生諧波電流，該類型的電流進(jìn)入電網(wǎng)內(nèi)部，就會使電網(wǎng)中產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。

電力系統(tǒng)中，各個(gè)環(huán)節(jié)中都有可能產(chǎn)生諧波，可以將諧波的產(chǎn)生大致分為以下3 種類型。

（1）發(fā)電源頭質(zhì)量不高，發(fā)電機(jī)的三相繞阻在實(shí)際制作中保證絕對對稱的難度較大，加上鐵芯不夠均勻等原因，導(dǎo)致在發(fā)電過程中會出現(xiàn)諧波，但是這種方式中產(chǎn)生的諧波數(shù)量較少。

（2）輸配電系統(tǒng)諧波，該種類型的諧波主要產(chǎn)生在電力變壓器中，變壓器中的鐵芯具有飽和特點(diǎn)，鐵芯出現(xiàn)非線性磁化曲線。多數(shù)變壓器生產(chǎn)制造商為了提高經(jīng)濟(jì)效益，所以將工作磁密設(shè)置在磁化曲線飽和段周圍，這一情況下會產(chǎn)生奇次諧波。

（3）用電設(shè)備諧波，其中主要包括用電電器、變頻設(shè)備等，這也是產(chǎn)生諧波數(shù)量最多的來源。

1.2 諧波的影響

諧波會對電能的實(shí)際生產(chǎn)效率以及傳輸效率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱以及運(yùn)行噪聲等問題，縮短使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障等，由此可以看出諧波會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

（1）諧波會對電力設(shè)備產(chǎn)生影響，使設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障以及損耗增加等情況。其中電機(jī)受到諧波的影響，會出現(xiàn)機(jī)械振動、損耗量增加以及溫度升高等現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣加速老化，電機(jī)的使用壽命也會縮短。而對于電容組器來說，會造成其中出現(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)諧振等現(xiàn)象，電容器的損耗量增，電容器在實(shí)際運(yùn)行中非常容易出現(xiàn)損壞等現(xiàn)象。

（2）諧波會對電子設(shè)備產(chǎn)生影響，尤其是電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置以及自動裝置等，設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行異常以及性能降低等問題。例如，機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)在受到諧波影響之后，形成的綜合動作值會高于整定值，因此出現(xiàn)誤動作。

（3）諧波對供電線路產(chǎn)生的影響，諧波會導(dǎo)致供電線路中出現(xiàn)附加損耗的現(xiàn)象，電纜中的諧波產(chǎn)生熱損耗，電纜的溫度升高，由于鄰近效應(yīng)的影響，線路電阻的頻率逐漸提升，浪費(fèi)電力資源[1]。

2 有功電能計(jì)量中諧波的作用

2.1 感應(yīng)式電能表電能計(jì)量中諧波的作用

諧波在對感應(yīng)式電能表計(jì)量產(chǎn)生影響的過程中，對于電壓變化以及電流變化會出現(xiàn)不同的影響，電壓壓力產(chǎn)生變化之后，轉(zhuǎn)盤阻抗也會產(chǎn)生變化，導(dǎo)致其中電流磁通發(fā)生變化。由此能夠看出，驅(qū)動力矩的不同，會導(dǎo)致電能產(chǎn)生變化，進(jìn)而對當(dāng)前諧波的變化特征產(chǎn)生影響。要想對諧波產(chǎn)生的波形畸變影響進(jìn)行具體分析，則可以通過系統(tǒng)性的方式展示出來，在當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行效果分析的基礎(chǔ)上，確定電流鐵芯導(dǎo)磁性產(chǎn)生的變化。

電壓標(biāo)準(zhǔn)相同的情況下，保證電壓有效性的同時(shí)，保證目前諧波功率中基數(shù)變化特征，是對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵點(diǎn)。

如果電力系統(tǒng)中存在諧波分量，諧波與基波之間相互疊加，導(dǎo)致波形畸變，由于電壓以及電流鐵芯導(dǎo)磁率具有非線性特點(diǎn)，所以在產(chǎn)生畸變之后，磁通不會出現(xiàn)線性變化。根據(jù)電能表的實(shí)際工作原理能夠確定，只有電流與電壓之間的頻率相同，才能出現(xiàn)平均功率，在相同頻率的情況下，電能表才能出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生畸變的波形在進(jìn)入電磁元件之后，因?yàn)榇磐]有因?yàn)椴ㄐ蔚淖兓l(fā)生變化，所以轉(zhuǎn)矩與平均功率不成正比，最終出現(xiàn)誤差。感應(yīng)式無功電能表的聯(lián)結(jié)方式如圖1 所示。

圖1 感應(yīng)式無功電能表的聯(lián)結(jié)方式

目前可以將諧波對感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差歸納為以下內(nèi)容。

（1）由于感應(yīng)式電能表電氣性能屬于非線性，所以在多個(gè)諧波的影響中，電能表計(jì)量結(jié)果與諧波電壓電流單獨(dú)進(jìn)行計(jì)量的電能量之間存在差異，所以出現(xiàn)計(jì)量誤差。

（2）在電流以及電壓都出現(xiàn)擊畸變之后，雖然存在的電壓誤差較小，也會導(dǎo)致電能計(jì)量中存在大量誤差。而這一現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因?yàn)椋袘?yīng)式電能表中的非線性以及頻率特性出現(xiàn)下降特征，進(jìn)而出現(xiàn)誤差。

（3）當(dāng)電壓處于正弦狀態(tài)，但是電流存在畸變的情況下，在電壓磁通中會與諧波電流磁通產(chǎn)生相同階次的分量，出現(xiàn)附加驅(qū)動力矩，但是通常情況下，產(chǎn)生的力矩較小。如果電流處于正弦，但是電壓產(chǎn)生畸變，諧波電壓與電流相互作用，會產(chǎn)生制動力矩，感應(yīng)式電能表在計(jì)量中出現(xiàn)負(fù)誤差。而在滿負(fù)載的情況下，諧波電流磁通導(dǎo)致電流磁分路提前飽和，增加了電流工作磁通量，電能表則出現(xiàn)正誤差。

通過上述分析能夠看出，各個(gè)階次諧波功率的流動方向，直接決定感應(yīng)式電能表出現(xiàn)誤差的正負(fù)情況，另外，電能表由于自身物理特性的影響，也會產(chǎn)生一定誤差。但是如果存在的畸變因素較低，在10%以下，則產(chǎn)生的誤差往往會在合理范圍之內(nèi)。

2.2 電子式電能表電能計(jì)量中諧波的作用

對于電子式電能表來說，其頻響特性與在乘法器使用具有緊密聯(lián)系，時(shí)分割頻率高的情況下，電能表的工作頻帶加寬，相反工作頻帶變窄。目前可以將電子式電能表分為兩種類型，分別為能夠反應(yīng)寬頻范圍以及能反映基波低頻諧波電能的電能表。電子式電能表針對不同波形，產(chǎn)生的反應(yīng)也不同，因此存在的誤差也不同。如果功率中的電壓和電流，只有一種出現(xiàn)畸變的情況下，畸變程度不同導(dǎo)致電子式電能表產(chǎn)生誤差的情況也不同，但是不會出現(xiàn)非常明顯的誤差。而電網(wǎng)中電流以及電壓都出現(xiàn)畸變的情況下，電子式電能表具有較寬的頻帶，所以能夠?qū)χC波功率進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，由此能夠看出，電子式電能表能夠?qū)ê椭C波的功率進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)量。電子式電能表基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電子式電能表基本結(jié)構(gòu)

目前電子式電能表的構(gòu)成可以分為兩種，第一種為由乘法器構(gòu)成的電能表，另一種為時(shí)分割乘法器構(gòu)成的電能表。乘法器電能表具有非常好的頻響特性，而另一種電能表主要是根據(jù)時(shí)間進(jìn)行分割，對方波系列的寬度以及幅度進(jìn)行調(diào)整，所以最終計(jì)量的準(zhǔn)確性較高。線性用戶和非線性用戶的計(jì)量誤差會受到諧波潮流的影響，二者之間的不同之處主要在于，諧波功率存在的情況下，電子式電能表的計(jì)量值與基波電能和各個(gè)諧波電能相量之和接近，因此電子式電能表的計(jì)量結(jié)果更加準(zhǔn)確[2]。

3 改善有功電能計(jì)量諧波負(fù)面作用的措施

3.1 使用全能量計(jì)量方式

這種方式中，電能表需要將基波和諧波電能全部反應(yīng)出來，對于線性用戶來說，電能表的讀數(shù)為W1+ΣWh，非線性用戶的電能表讀數(shù)為W1-ΣWh，通過實(shí)際分析能夠看出，利用全能量計(jì)量方式，存在的計(jì)量誤差可以忽略不計(jì)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意，這種方式適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，諧波數(shù)量較小的情況中。

3.2 基波電能計(jì)量方式

在基波電能計(jì)量方式中，電能表需要反應(yīng)出基波有功功率以及有功電能，并不會將諧波有功功率表計(jì)算在其中，所以無論是對于何種用戶，最終電能表中的電能都是基波有功電能。其中低通濾波器的選擇對最終計(jì)量結(jié)果來說非常重要，目前低通濾波器可以大致分為兩種類型，分別為有限沖擊濾波器以及無限沖擊濾波器。前者的通帶的帶較為寬大，阻帶中存在旁瓣波動情況，雖然這種方式能進(jìn)一步提高截至頻率的特性，但是由于階數(shù)太高，導(dǎo)致最終計(jì)量結(jié)果無法達(dá)到相應(yīng)要求。而后者能在階數(shù)較低的情況下，得到較為良好的截至頻率特性，所以在實(shí)際計(jì)量中，多數(shù)情況下都會使用無線沖擊濾波器。低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 低通濾波器結(jié)構(gòu)

低通濾波器結(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用狀態(tài)下，頻率響應(yīng)要具備最大幅值和線性相移，并且在阻帶內(nèi)部的幅值為0，但是多數(shù)低通濾波器在實(shí)際應(yīng)用中，無法達(dá)到這一狀態(tài)，所以為了保證低通濾波器的使用效果，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波器類型。當(dāng)前應(yīng)用范圍較廣的低通濾波器主要包括以下3 種。

（1）巴特沃斯濾波器，這一濾波器的幅頻響應(yīng)中，具有較高的平坦度，但是通帶與阻帶之間的衰減速度較為緩慢。

（2）車比雪夫?yàn)V波器，該種濾波器的衰減速度較快，但是在允許通帶中存在紋波，平坦度并不高。

（3）貝塞爾濾波器，該濾波器的性能重點(diǎn)在相頻響應(yīng)，相移和頻率屬于正比關(guān)系，群延時(shí)普遍恒定，能夠相位失真程度較小[3]。

在應(yīng)用巴斯沃斯濾波器的過程中，對信號中存在的二次諧波以上頻率進(jìn)行過濾，一階濾波器的衰減率為20dB/十倍頻，實(shí)際濾波效果并不理想。在二階中，濾波器的衰減率為40dB/十倍率，最終的濾波效果較好。

3.3 確定諧波環(huán)境下諧波的計(jì)量方法

分析諧波產(chǎn)生的影響，確定諧波程度以及諧波產(chǎn)生的影響。在對諧波產(chǎn)生影響進(jìn)行分析的過程中，可以使用諧波阻抗檢測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及電流矢量法等。對于諧波對在阻抗產(chǎn)生的影響，可以通過以下兩種方式解決。

（1）開展暫態(tài)干擾，及時(shí)記錄電壓和電流波形的實(shí)際情況計(jì)算數(shù)值，這種方法的實(shí)際應(yīng)用對采樣頻率具有較高要求。

（2）加入穩(wěn)態(tài)干擾，對加入穩(wěn)態(tài)干擾前后的波形進(jìn)行測量，該種方法目前在我國的應(yīng)用范圍也較廣，但是由于容易受到外部環(huán)境的影響，所以在更加穩(wěn)定的環(huán)境中應(yīng)用，保證最終的應(yīng)用效果。

在諧波采集中還需要注意以下問題：采樣頻率以及窗長不發(fā)生變化的條件下，只需要加入正弦波，就能夠?qū)l率變動時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行測量，并且這種方式的測量準(zhǔn)確性較高[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，諧波會對有功電能計(jì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致最終的計(jì)量結(jié)果與實(shí)際情況之間存在偏差。為了有效解決這一問題，可以通過調(diào)整計(jì)量方式以及采取科學(xué)計(jì)量方法等途徑，降低諧波對有功電能計(jì)量產(chǎn)生的負(fù)面作用，提高最終計(jì)量結(jié)果的穩(wěn)定性。這對于我國有功電能計(jì)量工作提高公正公平性來說具有促進(jìn)作用，在今后相關(guān)研究人員需要進(jìn)一步控制諧波對有功電能計(jì)量產(chǎn)生的不良影響，保證我國電網(wǎng)以及電力系統(tǒng)的良好運(yùn)行發(fā)展。