谐波对电能计量的影响分析

电力作为国民经济发展和人民生活的基本能源之一，在国家建设和发展中发挥了重要作用。电能计量数据直接关系到发电、供电、用电3方的切身经济利益，而且是多项经济技术指标的一个重要的计算基础。随着电力电子技术在各工业部门和用电设备上的广泛应用，非线性负荷数量越来越多，容量也越来越大，谐波大量注入电网，使电力系统电压、电流波形发生严重的畸变。由于大多数仪器、仪表是针对工频正弦波设计的，因而造成指示数据不正确。电能计量是电网经济核算的依据，电能的计量精度直接关系到电力供需双方的经济效益和社会效益。

1谐波源

大家都知道,在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意义上的正弦波形,都不同程度上存在谐波含量。由于有谐波电流和谐波电压,那么当然还有谐波功率。类似于基波的情况,谐波也存在着有功功率和无功功率,其中有功功率对电力系统正常运行有直接影响,而无功功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。

谐波有功功率产生于各种谐波源。但是,对于任何一个谐波源而言,他们无法发出各种谐频,一般只发出几个主要谐波频率特征的谐波功率,在其它谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波源发出的谐波功率净值通常为正值。主要谐波源是谐波电流源。换言之,即使他们的端电压是正弦波形,电流也未必是正弦波。当电源连接到基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此,用电时基波功率不完全是为自身消耗,而是转为谐波功率,并被迫返回到电源系统。用户接入配电系统只需要接受有效率的基波功率,而谐波功率不仅不是多余的,甚至会导致发电机、电动机、变压器等发热的不利影响。

2谐波产生的原因

谐波是存在于电力系统中的一个周期性电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。电网谐波产生的原因是非线性负载造成的。如变频器、整流器、逆变器等电力变流设备,电弧炉、电弧焊机等非线性负荷,电力变压器、铁心电抗器等含有磁饱和特性的设备,PC机、打印机等日用家电,调速驱动电机、充电器以及电镀设备等。谐波产生的原因主要有以下三个方面:

(1)发电原因。发电机的三相绕组在制作时无法做到绝对的对称,铁心也很难绝对的均匀一致,导致发电电源质量不高,由此产生谐波。

(2)输配电系统原因。输配电系统中谐波主要是由变压器产生。变压器的铁心是饱和的,磁化曲线的非线性,再加上变压器工作磁密在磁化曲线的近饱和段上。这些原因使变压器磁化电流呈现尖项波形,其中就包含了奇次谐波。事实证明,变压器的铁心饱和度越高,工作点偏离线性越远,产生的谐波电流越大。

(3)用电原因。用电环节的谐波是由电气设备,特别是晶闸管整流设备产生的。目前,晶闸管整流元件已经广泛应用于工业和人们生活中,如电力机车、充电设备、电源开关等,给电网造成了大量谐波。单相整流电路装置连接感性负载时含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可高达基波的30%;在接容性负荷时则产生奇次谐波电压,谐波含量随电容值的增加而增加。由整流装置产生的谐波占所有谐波近40%,这是最大的谐波源。

3谐波对电能计量装置的误差影响

对于电能表等计量仪表，因谐波原因会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起测量误差，使表计的精确度降低

(1)电磁感应式电能表

传统的电磁感应式电能表是按照基波来设计的。当除基波外还有高次谐波分量电压和电流时,电能表的电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻抗发生变化,导致工作电压磁通和电流磁通发生变化,电磁转盘的驱动力也发生变化,由此产生了电能表的计量误差。与此同时,由于谐波和基波的相互叠加的形式存在,波形发生畸变,而电压和电流线圈的铁心是非线性的,磁通不能随波形的变化相应成线性变化。根据电路理论可知,只有在相同频率电压和电流相互作用才产生平均功率。电能表在畸变的电压和电流通过电磁元件之后,磁通不与波形发生对应的变化,导致电磁转矩不能与平均功率成正比例,即:电磁感应式电能表在谐波存在时由于不能将不同频率的正弦电压和电流产生的电磁转矩叠加,不能计量谐波有功电能,从而产生计量误差。

(2)全电子式电能表

全电子式电能表在进行数值计算时,CPU可以将包含不同频率的且按照正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样计算。从理论上分析,这样的计算方法能有效地记录负载基波和谐波的总平均功率耗用值和电量。然而,受谐波电流的流动方向的影响(与负载电流的方向相反),当谐波是从负载流向电网时,由于全电子式电能表是将基波有功电能和谐波有功电能进行代数和,这时记录下来的电能量比负载所消耗的基波电能还要小,这是该电能表的最大缺点。另外全电子式电能表产生误差的原因是多方面的,如温度、电压电流、频率等外界条件,电压电流变换组件的分散性,电能量的计算方法等等。这些方面的影响在存在高次谐波时均存在。

4谐波环境下准确合理的电能计量方法

对供电系统谐波进行分析和治理以及对电能计量的影响这一课题的研究已在国内外广泛展开，并取得众多成果。目前对电能表电能计量误差的相关研究，尚存在误差模型过于简化、实用性较差、参数难以确定、缺乏量化概念等诸多不足。所以在目前研究的基础上本文更加系统全面的分析了谐波对于感应式电能表和电子式电能表计量的影响，可是鉴于现在技术方面的原因，还不能精确的把用户所消耗的基波能量和谐波能量分别计量出来，并且也没有一个对于谐波源用户进行电价重新分配的一种算法，供电公司就要蒙受很大的损失，并且

对于非谐波源用户也是一种不合理的计算方法。

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。

传统定义认为,谐波电压(谐波电流)与基波电压(电流)共同构成有效电压(电流),谐波功率与基波功率共同构成有效功率,因此,要求常规电压(电流)表及有功功率表的频率特性以固定不变为理想。其实质是将谐波量与基波量同等看待,即谐波影响常规仪表测量的要害是不能准确反映工频(基波)电气量。在谐波环境下,这种观念在对电能进行计量时是不合理的,计量的准确性愈高则愈不合理。采用分频技术制成的电能表可有效解决这一问题。

5当前电能计量模式及合理性

分析当前主要应用的三种计量模式，比较它们的优缺点及合理性。

(1)采用基波电能表只计量用户所消耗的基波功率。现有改进措施如加前置低通滤波器，滤去除基波外的谐波，只计量基波电能，对线性用户来说，无用的谐波电能没有计入;对非线性用户来说，计量了基波电能，而没有计量由基波电能转化来的谐波电能。这种计量方式没有考虑到非线性负荷向系统发出谐波功率对系统造成的影响，并且使供电部门承受谐波所造成的损失，不能够对非线性用户作出相应的处罚，也没有使吸收部分谐波功率受到谐波影响的线性用户得到相应的补偿。所以说这种措施不是很理想。

(2)采用频响较宽的电子式电能表计量。这种计量方式将用户所消耗的基波功率和吸收或发出的谐波功率全部计入，最后相加得到用户所消耗的电能。这样会造成线性负荷用户被多计量电能，非线性负荷用户被少计量所耗电能，造成了计费的不公平，相当于鼓励了对电网造成污染的非线性负荷用户。所以说这种措施也不理想。

(3)分别使用基波表和谐波表来测量用户所消耗的基波功率和谐波功率。当所得谐波功率为正时，既表明负荷吸收谐波，所得谐波功率为负时，表明负荷发出谐波，以此为据来判断负荷吸收或发出的谐波功率，进行收费奖罚等。

针对第三种情况我们提出了一种改进措施，具体措施如下：电流电压信号经过A/D转换后形成采样数字信号U(N) 和I(N)，经过相位校正，利用数字乘法器得到总有功功率;数字化的U(N) 和I(N)通过一个基波抑制滤波器得到不包含基波成分的电流、电压信吃UH(N) 和IH(N)，利用数字乘法器计算出总谐波有功功率Ph，总有功功率和总谐波功率对时间的积分，得到总电能ES和谐波电能EH。

(1)当基波功率和谐波功率方向相同时，也就是当负荷为线性负荷时，只有基波电能对它是有用的，我们只计量基波电能;

(2)当基波功率和谐波功率方向相反时，也就是当负荷为非线性负荷时，我们应该计量基波和谐波绝对值的和。

综上所述,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。