諧波對(duì)電能計(jì)量影響的分析及對(duì)策

高銘翔

摘要：電力系統(tǒng)中非線性設(shè)備產(chǎn)了大量的諧波，造成電網(wǎng)中電壓波形的畸變，這不僅對(duì)供電系統(tǒng)和電力設(shè)備造成危害，還對(duì)電能計(jì)量造成嚴(yán)重影響。文章通過(guò)分析電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，對(duì)電能計(jì)量中諧波影響的因素分析，來(lái)提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確度和合理性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；電能計(jì)量

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）15-0107-03

諧波是一種具有周期性的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍，但幅值相對(duì)基波較小。電力行業(yè)中電能計(jì)量?jī)x表一般是以正弦波形為工頻進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以在有諧波存在的情況下，使得電能計(jì)量產(chǎn)生誤差。電力電子技術(shù)的發(fā)展和用電設(shè)備的廣泛使用，非線性負(fù)荷數(shù)量和容量增大，諧波被大量注入電網(wǎng)，造成電壓和電流產(chǎn)生畸變，電能的質(zhì)量也會(huì)下降。電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備也會(huì)受到一定的影響，如測(cè)量?jī)x器、輸電設(shè)備、通訊設(shè)備、計(jì)量?jī)x表等。其中電能計(jì)量是電力系統(tǒng)收費(fèi)和經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)，其計(jì)量精度直接關(guān)系電力供需雙方的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。供電部門采用的感應(yīng)式電能計(jì)量表，其使用方便、性能穩(wěn)定、便于維護(hù)、成本低等特點(diǎn)，由于感應(yīng)式計(jì)量表工作在很窄的頻帶內(nèi)，當(dāng)電壓和電流出現(xiàn)畸變，其計(jì)量會(huì)不斷增大，直接影響了用戶和電力部門的利益。因此，研究諧波對(duì)電能計(jì)量的影響以及如何減小電能計(jì)量誤差，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1諧波產(chǎn)生原因分析

對(duì)于諧波源而言，通常會(huì)發(fā)出幾種特定頻率的諧波，其諧波功率凈值為正值。諧波電流源是主要的諧波源，因?yàn)楫?dāng)端電壓是正弦波形，其電流也不一定是正弦波。由于基波在和電源相連是會(huì)反饋諧波電流到電力系統(tǒng)中，其本身的基波功率不會(huì)完全消耗，并返回到電源系統(tǒng)中。電力變流設(shè)備和非線性負(fù)荷在使用的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生諧波，主要原因可以總結(jié)如以下三點(diǎn)：

1.1發(fā)電原因

發(fā)動(dòng)機(jī)的三相繞組制作無(wú)法做到完全對(duì)稱，鐵心的質(zhì)地也會(huì)存在不均勻的情況，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生諧波。

1.2輸配電系統(tǒng)原因

變壓器產(chǎn)生的諧波是輸配電系統(tǒng)最主要諧波源。變壓器磁化曲線呈非線性，在鐵心飽和的情況下，變壓器的磁化曲線工作在接近飽和段上，使得變壓器磁化電流出現(xiàn)尖項(xiàng)波形，同時(shí)也出現(xiàn)了奇次諧波。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鐵心飽和度越高，其產(chǎn)生的諧波電流也越大。

1.3用電原因

在電氣設(shè)備的使用過(guò)程中，特別是晶閘管整流元件容易產(chǎn)生諧波。由于在日常生活中，如充電設(shè)備、電力機(jī)車、電源開(kāi)關(guān)等都會(huì)使用到晶閘管整流元件。另外，單相整流電路裝置連接到感性負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生奇次諧波電流，其中3次諧波的含量達(dá)到基波的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。

2諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差分析

2.1諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性的影響

電能計(jì)量的準(zhǔn)確性取決于是否能夠準(zhǔn)確計(jì)量基波和諧波的總電能。感應(yīng)式電能表和電子式電能表是電力系統(tǒng)中常用的電腦計(jì)量表。電能計(jì)量表中的感應(yīng)轉(zhuǎn)盤在諧波的作用下回產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，使得測(cè)量產(chǎn)生誤差和精度降低。

2.1.1電磁感應(yīng)式電能表

在工頻變化較窄的情況下，一般采用感應(yīng)式電能表，當(dāng)電壓和電流為正弦波時(shí)期計(jì)量最為準(zhǔn)確。電磁感應(yīng)式電流表根據(jù)基波原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)有高次諧波分量的電壓和電流通過(guò)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)圓盤的阻抗會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)電壓線圈的阻抗亦發(fā)生變化，導(dǎo)致電能計(jì)量器內(nèi)部的電流磁通和電壓磁通發(fā)了變化，使得電磁轉(zhuǎn)盤的在磁通的作用發(fā)生變化，產(chǎn)生了電能計(jì)量誤差。由于基波和諧波在疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形畸變，磁通通過(guò)非線性的鐵心時(shí)，隨著波形的變化而產(chǎn)生非線性變化。在電能計(jì)量表中產(chǎn)生的畸變電流和電壓通過(guò)電磁元件后，磁通的波形不會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化，電能計(jì)量表在計(jì)算功率時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際計(jì)量所得的功率不相符。

2.1.2全電子式電能表

全電子式電能計(jì)量器主要依靠其內(nèi)部的CPU來(lái)進(jìn)行計(jì)量，CPU對(duì)不同頻率的正弦電壓和電流進(jìn)行采樣和計(jì)算，并通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的程序計(jì)算所消耗的電能值。電子式計(jì)量表對(duì)負(fù)載基波和諧波產(chǎn)生的功耗和電量進(jìn)行了計(jì)算，理論上排除了基波和諧波產(chǎn)生的誤差。但由于諧波電流的方向會(huì)發(fā)生變化，并且計(jì)量表將基波產(chǎn)生的電能和諧波產(chǎn)生的電能相加，導(dǎo)致諧波流向負(fù)載時(shí)，計(jì)量表記錄下的電能比實(shí)際基波消化的偏小，從而出現(xiàn)了計(jì)量誤差。另外，全電子式計(jì)量表會(huì)收到外界的溫度、電壓和頻率等的影響下也會(huì)產(chǎn)生誤差。

2.2電能計(jì)量方式分析

在諧波作用下，電能計(jì)量主要有以下三種方式：（1）電能計(jì)量表應(yīng)準(zhǔn)確地反應(yīng)基波和諧波的綜合功率，這種同時(shí)計(jì)算基波和諧波功率的方式被稱為電能全計(jì)量方式，也是當(dāng)前普遍使用的計(jì)量方式；（2）電能計(jì)量表值計(jì)算基波功率，不計(jì)算諧波功率，稱為基波電能方式；（3）電能計(jì)量表分別計(jì)算諧波功率和基波功率，稱為諧波電能方式。

在諧波作用下，采用電能全計(jì)量方式會(huì)使得電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性產(chǎn)生矛盾。為了解決上述問(wèn)題，首先必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，在諧波環(huán)境下對(duì)電能的計(jì)量進(jìn)行定性分析，并得出其規(guī)律。主要采用的方法有：（1）諧波測(cè)試方法。其原理較為簡(jiǎn)單，通過(guò)諧波檢測(cè)儀直接檢測(cè)諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差，并進(jìn)行定量和定性的分析；（2）仿真實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)利用波形發(fā)生器，記錄產(chǎn)生的波形信號(hào)，在輸入到實(shí)驗(yàn)用電能表進(jìn)行分析，從而得到電能表誤差的原因。

3提高計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性的對(duì)策

電能計(jì)量表誤差的研究，首先要建立好一個(gè)誤差模型，并確定好參數(shù)和量化概念，全面分析諧波對(duì)電子式電能表和感應(yīng)式電能表的影響。但限于技術(shù)原因，基波消耗的能量和諧波消耗的能量很難進(jìn)行精度的計(jì)算。如果對(duì)諧波源用戶重新分配電價(jià)，則供電公司就受到損失，而對(duì)非諧波源用戶會(huì)造成損失。要準(zhǔn)確的對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量，主要在于區(qū)分有用基波功率和無(wú)用諧波功率。

3.1提高計(jì)量準(zhǔn)確性的對(duì)策

由于電能計(jì)量表只計(jì)量了基波功率，故首要問(wèn)題就是要濾除諧波。濾除諧波可以采用硬件實(shí)現(xiàn)方式和軟件實(shí)現(xiàn)方式，但主要使用的是硬件實(shí)現(xiàn)方式。硬件實(shí)現(xiàn)是選擇合適的截止頻率，在通過(guò)高階低通濾波器阻止高次諧波進(jìn)入電能表，達(dá)到消除諧波保留了基波。軟件方式，一般使用傅里葉算法來(lái)消除諧波保留基波。過(guò)濾諧波方式，對(duì)于受到諧波影響的電力部門和線性用戶來(lái)，避免了因諧波產(chǎn)生的額外功率。但對(duì)于非線性用戶來(lái)，諧波產(chǎn)生的電能費(fèi)用，使得電力系統(tǒng)因諧波的影響而遭受損失。

下面討論分別計(jì)量諧波和基波功率的方式，并區(qū)分正負(fù)功率。該方式采用的智能電表具有一個(gè)單片機(jī)核心處理單元，利用快速傅里葉算法進(jìn)行頻譜分析，準(zhǔn)確的計(jì)量基波和諧波功率。其計(jì)量是否合理，區(qū)分了基波功率和諧波功率，對(duì)非線性用戶產(chǎn)生的諧波功率有一定的懲罰作用，來(lái)彌補(bǔ)電力部門的損失。但其使用較為困難，且成本高昂。

3.2提供計(jì)費(fèi)合理的對(duì)策

為了做到電能收費(fèi)的合理性，在對(duì)用戶征收基波電能電費(fèi)時(shí)，可以征收附加電費(fèi)。尤其對(duì)于非線性用戶，在電網(wǎng)中注入的諧波電能往往不盡相同，必須采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)制，收取一定的懲罰性電費(fèi)，設(shè)用戶消耗的總電能為E，負(fù)載消耗的電能為E1，則電網(wǎng)中諧波電能損耗為Ek=E-E1，其中Ek>0表示為非線性負(fù)載，Ek<0為線性負(fù)載。則向用戶征收的電費(fèi)為FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波電能電價(jià)，DH為非線性用戶的懲罰性電價(jià)，線性用戶DH=0。通過(guò)上述計(jì)量方式，可以定量和合理地計(jì)量非線性和線性用戶的電能消耗，解決了諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的不合理性。

4結(jié)語(yǔ)

本文分析了諧波的產(chǎn)生原因以及諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，在輸配電和用戶用電過(guò)程中都會(huì)向電網(wǎng)注入諧波功率，影響了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性。在電能計(jì)量過(guò)程中，最主要的問(wèn)題是將基波功率和諧波功率分開(kāi)，通過(guò)分頻技術(shù)對(duì)基波電能和諧波電能進(jìn)行分別計(jì)量，對(duì)吸收諧波電能的用戶，應(yīng)與一定的補(bǔ)償；而對(duì)向電網(wǎng)中注入諧波的用戶收取一定的懲罰性收費(fèi)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中嚴(yán)格管理好非線性負(fù)荷，減少諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差，使得用戶和企業(yè)都可以從中受益。

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（責(zé)任編輯：文森）