摘 要: 電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，電力用戶已不僅僅關(guān)注供電系統(tǒng)電壓和頻率，對(duì)供電系統(tǒng)諧波的關(guān)注也越來越明顯。因此，研究諧波問題十分必要，供電系統(tǒng)對(duì)諧波的管理和監(jiān)督也日益重視和規(guī)范，本文通過電能計(jì)量中諧波影響因素的分析,不斷提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:電能計(jì)量 諧波 電能表

電力作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的基本能源之一，在國(guó)家建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。電能計(jì)量數(shù)據(jù)直接關(guān)系到發(fā)電、供電、用電3方的切身經(jīng)濟(jì)利益，而且是多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的一個(gè)重要的計(jì)算基礎(chǔ)。隨著電力電子技術(shù)在各工業(yè)部門和用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)荷數(shù)量越來越多，容量也越來越大，諧波大量注入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)電壓、電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變。由于大多數(shù)儀器、儀表是針對(duì)工頻正弦波設(shè)計(jì)的，因而造成指示數(shù)據(jù)不正確。電能計(jì)量是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù)，電能的計(jì)量精度直接關(guān)系到電力供需雙方的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1諧波源

大家都知道,在實(shí)際的配電網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流波形不是真正意義上的正弦波形,都不同程度上存在諧波含量。由于有諧波電流和諧波電壓,那么當(dāng)然還有諧波功率。類似于基波的情況,諧波也存在著有功功率和無功功率,其中有功功率對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行有直接影響,而無功功率則有助于分析和研究諧波條件和濾波措施。

諧波有功功率產(chǎn)生于各種諧波源。但是,對(duì)于任何一個(gè)諧波源而言,他們無法發(fā)出各種諧頻,一般只發(fā)出幾個(gè)主要諧波頻率特征的諧波功率,在其它諧頻上也可以從其他渠道吸收一些諧波功率。諧波源發(fā)出的諧波功率凈值通常為正值。主要諧波源是諧波電流源。換言之,即使他們的端電壓是正弦波形,電流也未必是正弦波。當(dāng)電源連接到基波就必須要強(qiáng)制反饋諧波電流到電力系統(tǒng)中。因此,用電時(shí)基波功率不完全是為自身消耗,而是轉(zhuǎn)為諧波功率,并被迫返回到電源系統(tǒng)。用戶接入配電系統(tǒng)只需要接受有效率的基波功率,而諧波功率不僅不是多余的,甚至?xí)��?dǎo)致發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等發(fā)熱的不利影響。

2諧波產(chǎn)生的原因

諧波是存在于電力系統(tǒng)中的一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因是非線性負(fù)載造成的。如變頻器、整流器、逆變器等電力變流設(shè)備,電弧爐、電弧焊機(jī)等非線性負(fù)荷,電力變壓器、鐵心電抗器等含有磁飽和特性的設(shè)備,PC機(jī)、打印機(jī)等日用家電,調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、充電器以及電鍍?cè)O(shè)備等。諧波產(chǎn)生的原因主要有以下三個(gè)方面:

(1)發(fā)電原因。發(fā)電機(jī)的三相繞組在制作時(shí)無法做到絕對(duì)的對(duì)稱,鐵心也很難絕對(duì)的均勻一致,導(dǎo)致發(fā)電電源質(zhì)量不高,由此產(chǎn)生諧波。

(2)輸配電系統(tǒng)原因。輸配電系統(tǒng)中諧波主要是由變壓器產(chǎn)生。變壓器的鐵心是飽和的,磁化曲線的非線性,再加上變壓器工作磁密在磁化曲線的近飽和段上。這些原因使變壓器磁化電流呈現(xiàn)尖項(xiàng)波形,其中就包含了奇次諧波。事實(shí)證明,變壓器的鐵心飽和度越高,工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn),產(chǎn)生的諧波電流越大。

(3)用電原因。用電環(huán)節(jié)的諧波是由電氣設(shè)備,特別是晶閘管整流設(shè)備產(chǎn)生的。目前,晶閘管整流元件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和人們生活中,如電力機(jī)車、充電設(shè)備、電源開關(guān)等,給電網(wǎng)造成了大量諧波。單相整流電路裝置連接感性負(fù)載時(shí)含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可高達(dá)基波的30%;在接容性負(fù)荷時(shí)則產(chǎn)生奇次諧波電壓,諧波含量隨電容值的增加而增加。由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波近40%,這是最大的諧波源。

3諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的誤差影響

對(duì)于電能表等計(jì)量?jī)x表，因諧波原因會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起測(cè)量誤差，使表計(jì)的精確度降低

(1)電磁感應(yīng)式電能表

傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電能表是按照基波來設(shè)計(jì)的。當(dāng)除基波外還有高次諧波分量電壓和電流時(shí),電能表的電壓線圈的阻抗和旋轉(zhuǎn)圓盤阻抗發(fā)生變化,導(dǎo)致工作電壓磁通和電流磁通發(fā)生變化,電磁轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)力也發(fā)生變化,由此產(chǎn)生了電能表的計(jì)量誤差。與此同時(shí),由于諧波和基波的相互疊加的形式存在,波形發(fā)生畸變,而電壓和電流線圈的鐵心是非線性的,磁通不能隨波形的變化相應(yīng)成線性變化。根據(jù)電路理論可知,只有在相同頻率電壓和電流相互作用才產(chǎn)生平均功率。電能表在畸變的電壓和電流通過電磁元件之后,磁通不與波形發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化,導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比例,即:電磁感應(yīng)式電能表在諧波存在時(shí)由于不能將不同頻率的正弦電壓和電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加,不能計(jì)量諧波有功電能,從而產(chǎn)生計(jì)量誤差。

(2)全電子式電能表

全電子式電能表在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),CPU可以將包含不同頻率的且按照正弦規(guī)律變化的電壓和電流的瞬時(shí)值分別采樣計(jì)算。從理論上分析,這樣的計(jì)算方法能有效地記錄負(fù)載基波和諧波的總平均功率耗用值和電量。然而,受諧波電流的流動(dòng)方向的影響(與負(fù)載電流的方向相反),當(dāng)諧波是從負(fù)載流向電網(wǎng)時(shí),由于全電子式電能表是將基波有功電能和諧波有功電能進(jìn)行代數(shù)和,這時(shí)記錄下來的電能量比負(fù)載所消耗的基波電能還要小,這是該電能表的最大缺點(diǎn)。另外全電子式電能表產(chǎn)生誤差的原因是多方面的,如溫度、電壓電流、頻率等外界條件,電壓電流變換組件的分散性,電能量的計(jì)算方法等等。這些方面的影響在存在高次諧波時(shí)均存在。

4諧波環(huán)境下準(zhǔn)確合理的電能計(jì)量方法

對(duì)供電系統(tǒng)諧波進(jìn)行分析和治理以及對(duì)電能計(jì)量的影響這一課題的研究已在國(guó)內(nèi)外廣泛展開，并取得眾多成果。目前對(duì)電能表電能計(jì)量誤差的相關(guān)研究，尚存在誤差模型過于簡(jiǎn)化、實(shí)用性較差、參數(shù)難以確定、缺乏量化概念等諸多不足。所以在目前研究的基礎(chǔ)上本文更加系統(tǒng)全面的分析了諧波對(duì)于感應(yīng)式電能表和電子式電能表計(jì)量的影響，可是鑒于現(xiàn)在技術(shù)方面的原因，還不能精確的把用戶所消耗的基波能量和諧波能量分別計(jì)量出來，并且也沒有一個(gè)對(duì)于諧波源用戶進(jìn)行電價(jià)重新分配的一種算法，供電公司就要蒙受很大的損失，并且

對(duì)于非諧波源用戶也是一種不合理的計(jì)算方法。

要對(duì)諧波環(huán)境下電能進(jìn)行準(zhǔn)確合理計(jì)量,主要出發(fā)點(diǎn)在于區(qū)分基波(有用)功率與諧波(無用)功率。采用的方法主要有:

(1)采用頻率陡降的電能表(基波電能表),僅能計(jì)量基波功率。此時(shí),僅對(duì)線性負(fù)荷有效,無法對(duì)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行計(jì)量。

(2)采用分頻技術(shù)分別計(jì)量基波電能與諧波電能及其方向,并利用電費(fèi)杠桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶電費(fèi)由三部分構(gòu)成,即基波(實(shí)際有用的)電費(fèi)、產(chǎn)生或發(fā)出諧波電能所應(yīng)承擔(dān)的懲罰性電費(fèi)、能吸收或消耗諧波電能所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)性電費(fèi)。

(3)采取技術(shù)和管理兩方面的措施,加強(qiáng)對(duì)非線性負(fù)荷的準(zhǔn)入制度,切實(shí)抑制諧波含量。當(dāng)諧波含量在允許的范圍內(nèi)時(shí),電能計(jì)量的準(zhǔn)確性能得到保證。

傳統(tǒng)定義認(rèn)為,諧波電壓(諧波電流)與基波電壓(電流)共同構(gòu)成有效電壓(電流),諧波功率與基波功率共同構(gòu)成有效功率,因此,要求常規(guī)電壓(電流)表及有功功率表的頻率特性以固定不變?yōu)槔硐�。其�?shí)質(zhì)是將諧波量與基波量同等看待,即諧波影響常規(guī)儀表測(cè)量的要害是不能準(zhǔn)確反映工頻(基波)電氣量。在諧波環(huán)境下,這種觀念在對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量時(shí)是不合理的,計(jì)量的準(zhǔn)確性愈高則愈不合理。采用分頻技術(shù)制成的電能表可有效解決這一問題。

5當(dāng)前電能計(jì)量模式及合理性

分析當(dāng)前主要應(yīng)用的三種計(jì)量模式，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)及合理性。

(1)采用基波電能表只計(jì)量用戶所消耗的基波功率�，F(xiàn)有改進(jìn)措施如加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計(jì)量基波電能，對(duì)線性用戶來說，無用的諧波電能沒有計(jì)入;對(duì)非線性用戶來說，計(jì)量了基波電能，而沒有計(jì)量由基波電能轉(zhuǎn)化來的諧波電能。這種計(jì)量方式?jīng)]有考慮到非線性負(fù)荷向系統(tǒng)發(fā)出諧波功率對(duì)系統(tǒng)造成的影響，并且使供電部門承受諧波所造成的損失，不能夠?qū)Ψ蔷�性用戶作出相應(yīng)的處罰，也沒有使吸收部分諧波功率受到諧波影響的線性用戶得到相應(yīng)的補(bǔ)償。所以說這種措施不是很理想。

(2)采用頻響較寬的電子式電能表計(jì)量。這種計(jì)量方式將用戶所消耗的基波功率和吸收或發(fā)出的諧波功率全部計(jì)入，最后相加得到用戶所消耗的電能。這樣會(huì)造成線性負(fù)荷用戶被多計(jì)量電能，非線性負(fù)荷用戶被少計(jì)量所耗電能，造成了計(jì)費(fèi)的不公平，相當(dāng)于鼓勵(lì)了對(duì)電網(wǎng)造成污染的非線性負(fù)荷用戶。所以說這種措施也不理想。

(3)分別使用基波表和諧波表來測(cè)量用戶所消耗的基波功率和諧波功率。當(dāng)所得諧波功率為正時(shí)，既表明負(fù)荷吸收諧波，所得諧波功率為負(fù)時(shí)，表明負(fù)荷發(fā)出諧波，以此為據(jù)來判斷負(fù)荷吸收或發(fā)出的諧波功率，進(jìn)行收費(fèi)獎(jiǎng)罰等。

針對(duì)第三種情況我們提出了一種改進(jìn)措施，具體措施如下：電流電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后形成采樣數(shù)字信號(hào)U(N) 和I(N)，經(jīng)過相位校正，利用數(shù)字乘法器得到總有功功率;數(shù)字化的U(N) 和I(N)通過一個(gè)基波抑制濾波器得到不包含基波成分的電流、電壓信吃UH(N) 和IH(N)，利用數(shù)字乘法器計(jì)算出總諧波有功功率Ph，總有功功率和總諧波功率對(duì)時(shí)間的積分，得到總電能ES和諧波電能EH。

(1)當(dāng)基波功率和諧波功率方向相同時(shí)，也就是當(dāng)負(fù)荷為線性負(fù)荷時(shí)，只有基波電能對(duì)它是有用的，我們只計(jì)量基波電能;

(2)當(dāng)基波功率和諧波功率方向相反時(shí)，也就是當(dāng)負(fù)荷為非線性負(fù)荷時(shí)，我們應(yīng)該計(jì)量基波和諧波絕對(duì)值的和。

綜上所述,諧波不僅影響了輸配電和用戶電力設(shè)備的正常使用,致使用戶的無功功率電費(fèi)支出增加,而且對(duì)其它設(shè)備元件也產(chǎn)生了危害。在計(jì)量回路中應(yīng)用新型的基波電能表,采用分頻技術(shù)分別計(jì)量基波電能和諧波電能,加強(qiáng)非線性負(fù)荷的準(zhǔn)入制度,將大大降低諧波帶來的電能計(jì)量誤差,維護(hù)好企業(yè)和用戶的利益。

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