谐波对电能计量准确度的影响及其解决措施_光电技术论文类论文范

1 引言
随着电力电子装置应用的迅速普及，其非线性的负荷特性给电网带来丰富的谐波电流，使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波亦增加了公用电网的附加损耗、降低了发电、输电及用电设备的效率，同时谐波也对电能计量产生了不利影响。谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其它设备元件也产生了危害。在计量回路中应用新型的基波电能表，采用分频技术分别计量基波电能和谐波电能，加强非线性负荷的准入制度，将大大降低谐波带来的电能计量误差，维护好企业和用户的利益。下面将对电力系统谐波的产生原因与危害影响做出分析，提出了电力系统谐波的电能计量解决措施。
2 谐波对电能计量的影响分析
2.1 谐波对电能计量影响的理论分析
基于文献[1]对基波、谐波潮流的分析，建含线性负荷和非线性负荷的模型如图l：

图1 含线性负荷和非线性负荷的模型
以PCC点处为分界，可见，电源发出基波有功PS1，一部分PL.1传送给线性负荷，一部分PNL1传给非线性负荷。而整流电路将PNL.1中的一部分转换成谐波功率PNL.K返送给系统和线性负荷，分别为PSK和PLK。
无论线性负荷和非线性负荷，它们所消耗的是系统提供的基波有功功率。从图1中可以看到，系统和非线性负荷的基波功率与谐波功率潮流的方向相反，而线性负荷则相同。若感应式电能表计量的读数为 PG，数字式电能表显示的读数为 PD (积分功率)，那么：

式中，系数C<1，表明感应式电能表只计量部分谐波电能。由此可见，线性负荷由于被迫吸收谐波功率多交电费，而发出谐波的非线性负荷却因此而少交电费。
2.2 谐波对电能计量合理性的影响
一般的电能表所计量的电能是基波电能与各次谐波电能之和，而各次谐波电能根据负荷情况可能有不同的方向。电力系统希望用户的电流为基波电流，从而使电网的电压也是基波电压，减少对线性负荷用户的影响。用户也希望只计量基波电能，认为只计量基波电能更合理。但目前许多用户的负荷特性是非线性的，如整流器、逆变器、冶金、化工、电气化铁路等负荷，这些负荷的谐波电流是流向电网的，根据大量的理论分析和试验研究已经说明其谐波功率也流向电网侧。电能表计量的有功功率是所使用的基波电能减去谐波电能，少计基波电能，且对电网形成谐波污染。当系统电源为正弦波时，线性负荷的电压、电流信号均为正弦波，只消耗基波有功功率；非线性负荷的电压为正弦波，电流发生畸变，由于三角函数的正交性，只有同频率的电压、电流的积分才不为零，所以电路消耗的有功功率仅为同频率的电压与电流的积分，所以此电路也只消耗基波有功功率。当系统电源畸变不含内阻时，线性负荷的电压电流均畸变，既消耗基波有功功率，也消耗谐波有功功率，非线性负荷的电压电流也均畸变，既消耗基波有功功率，也消耗谐波有功功率；系统电压为正弦波含内阻时，线性负荷的电压电流无畸变，只消耗基波有功功率，而非线性负荷既吸收了基波有功功率，也向系统注入了谐波有功功率。由于上述电能计量的原理性问题，合理的电能计量方式是将基波电能和谐波电能分别计量，按照基波电能收取电费。目前已经生产出了基波电能表，用于专门计量通过的基波电能。如果从影响的分类来讲的话，被广泛认可的为下面四类：
(一)对线性负荷而言，当系统电源电压无畸变时，电压、电流均为工频正弦波，负荷仅消耗基波电能，所有电能表的计量是准确的，负荷所消耗的有功电能的计量值均在其误差范围之内：电源电压畸变时，电压中存在高次谐波分量，导致负荷电流中也出现谐波分量，负荷不仅消耗基波有功电能，还会消耗谐波有功电能，相当于系统向线性负荷输送谐波有功电能，使得线性负荷所吸收的综合电能大于基波电能，电能表所计量的电能为综合电能，大于工频基波电量。所以线性负荷受到系统的谐波污染，多付电费。
(二)对非线性负荷而言，当电源电压无畸变时，尽管电压为工频正弦波，但是由于负荷的非线性，负荷电流中存在高次谐波分量。此时，非线性负荷虽然只消耗基波有功电能，但是非线性负荷将作为谐波污染源，向系统注入谐波电流。当电源电压畸变时，电压、电流中均存在高次谐波分量。此时，非线性负荷不仅消耗基波有功电能，还消耗部分谐波有功电能，同时还向系统注入部分谐波电能，就目前理论分析和试验的结果来看，非线性负荷的综合电能小于基波电能，向系统注入了谐波电能，所以非线性负荷对系统造成了谐波污染，少付电费。
(三)影响电能表电能计量的因素，不仅与电压、电流中的谐波分量幅值有关，而且与谐波电压、电流的相角差有关。电压、电流中的谐波分量幅值一定时，谐波电压、电流的相角差决定了谐波电能的传递方向，当cosΦ,k<0(k≥2，且k为谐波次数)时，负荷的综合电能小于基波电能，负荷从系统吸收基波电能，并向系统注入谐波电能；反之，当cosΦ,k>O时，负荷的综合电能大于基波电能，负荷同时从系统吸收基波电能和谐波电能。
(四)计量电能应在计量负荷消耗的基波电能的同时，计量负荷所消耗的谐波电能的大小及传递方向，按照基波电能收取电费。建议采用对基波电能和谐波电能同时计量的电子式电能表，分别计量基波电能和谐波电能，且对电力系统中产生谐波污染的具有非线性负荷的用户实施惩罚。
3 谐波环境下准确合理的电能计量方法
3.1 区分基波功率与谐波功率
要对谐波环境下电能进行准确合理计量，主要出发点在于区分基波(有用)功率与谐波(无用)功率。采用的方法主要有：
(1)采用频率陡降的电能表(基波电能表)，仅能计量基波功率。此时，仅对线性负荷有效，无法对非线性负荷产生的谐波进行计量。
(2)采用分频技术分别计量基波电能与谐波电能及其方向，并利用电费杠杆进行调节。用户电费由三部分构成，即基波(实际有用的)电费、产生或发出谐波电能所应承担的惩罚性电费、能吸收或消耗谐波电能所获得的奖励性电费。
(3)采取技术和管理两方面的措施，加强对非线性负荷的准入制度，切实抑制谐波含量。当谐波含量在允许的范围内时，电能计量的准确性能得到保证。
3.2 提高电能计量测量精度的策略研究
为了更好地提高电能计量的精度，可采用以下方案：第一种方案是可以使电能表完全不反映谐波功率，而只准确反映基波功率。第二种方案是区分功率潮流的方向，并分别计量基波和谐波功率。
(一)用工频基波电能表以及宽频带功率电能表配合一起使用这样一来，就会不仅可测量出基波功率值，同时还可测量出谐波潮流的方向和大小。这样一来，我们就会发现，不仅可以准确的计量谐波电能和基波电能，而且由于测出了谐波潮流的方向，这样一来，就可以按用户所产生的谐波功率，对非线性负载的用户在经济上给与额外的惩罚，以便来以补偿线性用户以及电力部门的损失。此方案计费合理，但在实施中成本较高，而且较困难。
(二)采用一些技术来解决，使电能表仅反映基波电能比如利用高阶低通滤波器滤除掉进入电能表的高次谐波。对于感应式电能表，可以利用如高通滤波以及单频调谐滤波、双频滤波等交流滤波线路进行相互交叉滤波；对于电子式电能表，可以加装一些集成的低通滤波器来进行解决。此方案在电能计量上合理，也较容易实施。因为对线性负载用户以及电力部门来说，虽然受了谐波的影响，但在付费上却避免了因谐波功率而引起的额外损失。综合以上两方案，对于一些人、中型非线性用户，可以采取第一种方案，用惩罚性措施来保证电网的可靠运行及电力部门的利益。而对一般用户，由于其反送或接受的谐波功率的量很少，可以采取第二种方案，以降低成本。
4 结论
电力谐波直接影响电能计量的准确度，为了保证电能计量准确度，必须计算各次谐波消耗的有功电能。将谐波消耗的电能计入用户总电能时，应该区分谐波分量的来源与性质，以提高电能计量的合理l生和公平性。

参考文献：
【1】吴安岚．电能计量基础及新技术【M】．北京：中国水利水电出版社，2008．
【2】张有顺，冯井岗．电能计量基础【M】．北京：中国计量出版社，2002．
【3】吴竞昌，孙树勤，宋文南，等．电力系统谐波【M】．北京：水利电力出版社，1988．
【4】许克明，徐云，刘付平．电力系统高次谐波【M】．重庆：重庆大学出版社，1991．
【5】张直平．城市电网谐波手册【M】．北京：中国电力出版社，2000．