諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響及其解決措施
楊學(xué)偉
摘 要：諧波對(duì)于電能表電能計(jì)量以及電力系統(tǒng)的影響來說是深遠(yuǎn)的，充分分析諧波對(duì)電能計(jì)量的影響有重要意義，本文主要對(duì)電力諧波對(duì)電能表電能計(jì)量的影響及其改進(jìn)措施進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：諧波 電能 計(jì)量

1 引言
隨著電力電子裝置應(yīng)用的迅速普及，其非線性的負(fù)荷特性給電網(wǎng)帶來豐富的諧波電流，使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波亦增加了公用電網(wǎng)的附加損耗、降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，同時(shí)諧波也對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生了不利影響。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。下面將對(duì)電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因與危害影響做出分析，提出了電力系統(tǒng)諧波的電能計(jì)量解決措施。
2 諧波對(duì)電能計(jì)量的影響分析
2.1 諧波對(duì)電能計(jì)量影響的理論分析
基于文獻(xiàn)[1]對(duì)基波、諧波潮流的分析，建含線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷的模型如圖l：

圖1 含線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷的模型
以PCC點(diǎn)處為分界，可見，電源發(fā)出基波有功PS1， 一部分PL.1傳送給線性負(fù)荷，一部分PNL1傳給非線性負(fù)荷。而整流電路將PNL.1中的一部分轉(zhuǎn)換成諧波功率PNL.K返送給系統(tǒng)和線性負(fù)荷，分別為PSK和PLK。
無論線性負(fù)荷和非線性負(fù)荷，它們所消耗的是系統(tǒng)提供的基波有功功率。從圖1中可以看到，系統(tǒng)和非線性負(fù)荷的基波功率與諧波功率潮流的方向相反，而線性負(fù)荷則相同。若感應(yīng)式電能表計(jì)量的讀數(shù)為 PG，數(shù)字式電能表顯示的讀數(shù)為 PD (積分功率)，那么：

式中，系數(shù)C<1，表明感應(yīng)式電能表只計(jì)量部分諧波電能。由此可見，線性負(fù)荷由于被迫吸收諧波功率多交電費(fèi)，而發(fā)出諧波的非線性負(fù)荷卻因此而少交電費(fèi)。
2.2 諧波對(duì)電能計(jì)量合理性的影響
一般的電能表所計(jì)量的電能是基波電能與各次諧波電能之和，而各次諧波電能根據(jù)負(fù)荷情況可能有不同的方向。電力系統(tǒng)希望用戶的電流為基波電流，從而使電網(wǎng)的電壓也是基波電壓，減少對(duì)線性負(fù)荷用戶的影響。用戶也希望只計(jì)量基波電能，認(rèn)為只計(jì)量基波電能更合理。但目前許多用戶的負(fù)荷特性是非線性的，如整流器、逆變器、冶金、化工、電氣化鐵路等負(fù)荷，這些負(fù)荷的諧波電流是流向電網(wǎng)的，根據(jù)大量的理論分析和試驗(yàn)研究已經(jīng)說明其諧波功率也流向電網(wǎng)側(cè)。電能表計(jì)量的有功功率是所使用的基波電能減去諧波電能，少計(jì)基波電能，且對(duì)電網(wǎng)形成諧波污染。當(dāng)系統(tǒng)電源為正弦波時(shí)，線性負(fù)荷的電壓、電流信號(hào)均為正弦波，只消耗基波有功功率；非線性負(fù)荷的電壓為正弦波，電流發(fā)生畸變，由于三角函數(shù)的正交性，只有同頻率的電壓、電流的積分才不為零，所以電路消耗的有功功率僅為同頻率的電壓與電流的積分，所以此電路也只消耗基波有功功率。當(dāng)系統(tǒng)電源畸變不含內(nèi)阻時(shí)，線性負(fù)荷的電壓電流均畸變，既消耗基波有功功率，也消耗諧波有功功率，非線性負(fù)荷的電壓電流也均畸變，既消耗基波有功功率，也消耗諧波有功功率；系統(tǒng)電壓為正弦波含內(nèi)阻時(shí)，線性負(fù)荷的電壓電流無畸變，只消耗基波有功功率，而非線性負(fù)荷既吸收了基波有功功率，也向系統(tǒng)注入了諧波有功功率。由于上述電能計(jì)量的原理性問題，合理的電能計(jì)量方式是將基波電能和諧波電能分別計(jì)量，按照基波電能收取電費(fèi)。目前已經(jīng)生產(chǎn)出了基波電能表，用于專門計(jì)量通過的基波電能。如果從影響的分類來講的話，被廣泛認(rèn)可的為下面四類：
(一)對(duì)線性負(fù)荷而言，當(dāng)系統(tǒng)電源電壓無畸變時(shí)，電壓、電流均為工頻正弦波，負(fù)荷僅消耗基波電能，所有電能表的計(jì)量是準(zhǔn)確的，負(fù)荷所消耗的有功電能的計(jì)量值均在其誤差范圍之內(nèi)：電源電壓畸變時(shí)，電壓中存在高次諧波分量，導(dǎo)致負(fù)荷電流中也出現(xiàn)諧波分量，負(fù)荷不僅消耗基波有功電能，還會(huì)消耗諧波有功電能，相當(dāng)于系統(tǒng)向線性負(fù)荷輸送諧波有功電能，使得線性負(fù)荷所吸收的綜合電能大于基波電能，電能表所計(jì)量的電能為綜合電能，大于工頻基波電量。所以線性負(fù)荷受到系統(tǒng)的諧波污染，多付電費(fèi)。
(二)對(duì)非線性負(fù)荷而言，當(dāng)電源電壓無畸變時(shí)，盡管電壓為工頻正弦波，但是由于負(fù)荷的非線性，負(fù)荷電流中存在高次諧波分量。此時(shí)，非線性負(fù)荷雖然只消耗基波有功電能，但是非線性負(fù)荷將作為諧波污染源，向系統(tǒng)注入諧波電流。當(dāng)電源電壓畸變時(shí)，電壓、電流中均存在高次諧波分量。此時(shí)，非線性負(fù)荷不僅消耗基波有功電能，還消耗部分諧波有功電能，同時(shí)還向系統(tǒng)注入部分諧波電能，就目前理論分析和試驗(yàn)的結(jié)果來看，非線性負(fù)荷的綜合電能小于基波電能，向系統(tǒng)注入了諧波電能，所以非線性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)造成了諧波污染，少付電費(fèi)。
(三)影響電能表電能計(jì)量的因素，不僅與電壓、電流中的諧波分量幅值有關(guān)，而且與諧波電壓、電流的相角差有關(guān)。電壓、電流中的諧波分量幅值一定時(shí)，諧波電壓、電流的相角差決定了諧波電能的傳遞方向，當(dāng)cosΦ,k<0(k≥2，且k為諧波次數(shù))時(shí)，負(fù)荷的綜合電能小于基波電能，負(fù)荷從系統(tǒng)吸收基波電能，并向系統(tǒng)注入諧波電能；反之，當(dāng)cosΦ,k>O時(shí)，負(fù)荷的綜合電能大于基波電能，負(fù)荷同時(shí)從系統(tǒng)吸收基波電能和諧波電能。
(四)計(jì)量電能應(yīng)在計(jì)量負(fù)荷消耗的基波電能的同時(shí)，計(jì)量負(fù)荷所消耗的諧波電能的大小及傳遞方向，按照基波電能收取電費(fèi)。建議采用對(duì)基波電能和諧波電能同時(shí)計(jì)量的電子式電能表，分別計(jì)量基波電能和諧波電能，且對(duì)電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染的具有非線性負(fù)荷的用戶實(shí)施懲罰。
3 諧波環(huán)境下準(zhǔn)確合理的電能計(jì)量方法
3.1 區(qū)分基波功率與諧波功率
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。
3.2 提高電能計(jì)量測(cè)量精度的策略研究
為了更好地提高電能計(jì)量的精度，可采用以下方案：第一種方案是可以使電能表完全不反映諧波功率，而只準(zhǔn)確反映基波功率。第二種方案是區(qū)分功率潮流的方向，并分別計(jì)量基波和諧波功率。
(一)用工頻基波電能表以及寬頻帶功率電能表配合一起使用這樣一來，就會(huì)不僅可測(cè)量出基波功率值，同時(shí)還可測(cè)量出諧波潮流的方向和大小。這樣一來，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，不僅可以準(zhǔn)確的計(jì)量諧波電能和基波電能，而且由于測(cè)出了諧波潮流的方向，這樣一來，就可以按用戶所產(chǎn)生的諧波功率，對(duì)非線性負(fù)載的用戶在經(jīng)濟(jì)上給與額外的懲罰，以便來以補(bǔ)償線性用戶以及電力部門的損失。此方案計(jì)費(fèi)合理，但在實(shí)施中成本較高，而且較困難。
(二)采用一些技術(shù)來解決，使電能表僅反映基波電能比如利用高階低通濾波器濾除掉進(jìn)入電能表的高次諧波。對(duì)于感應(yīng)式電能表，可以利用如高通濾波以及單頻調(diào)諧濾波、雙頻濾波等交流濾波線路進(jìn)行相互交叉濾波；對(duì)于電子式電能表，可以加裝一些集成的低通濾波器來進(jìn)行解決。此方案在電能計(jì)量上合理，也較容易實(shí)施。因?yàn)閷?duì)線性負(fù)載用戶以及電力部門來說，雖然受了諧波的影響，但在付費(fèi)上卻避免了因諧波功率而引起的額外損失。綜合以上兩方案，對(duì)于一些人、中型非線性用戶，可以采取第一種方案，用懲罰性措施來保證電網(wǎng)的可靠運(yùn)行及電力部門的利益。而對(duì)一般用戶， 由于其反送或接受的諧波功率的量很少，可以采取第二種方案，以降低成本。
4 結(jié)論
電力諧波直接影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確度，為了保證電能計(jì)量準(zhǔn)確度，必須計(jì)算各次諧波消耗的有功電能。將諧波消耗的電能計(jì)入用戶總電能時(shí)，應(yīng)該區(qū)分諧波分量的來源與性質(zhì)，以提高電能計(jì)量的合理l生和公平性。

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