电力谐波对电能计量的影响

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【摘要】介绍了谐波产生的原因及其对感应式电能表和电子式电能表的影响，从感应式电能表和电子式电能表频率响应曲线入手，分析了由于谐波的存在而引起的电能计量仪表误差的变化情况，并提出了提高测量精度的策略和建议。 【关键词】谐波；电能计量；感应式电能表；误差 

中图分类号： F407 文献标识码： A1.引言 随着电力电子技术在各工业部门和用电设备中的广泛应用，现代工业生产设备中使用的交直流换流设备、电子调压设备、电弧炉、感应炉以及家用的照明和加热设备，都会产生大量的谐波电流而注入电网，这将使得电力系统中的电压和电流波形发生严重的畸变，使电能质量下降，对输电设备、测量仪器、通讯设备、计量仪表等都将产生不同程度的影响[1]。 2.电能表的计量原理 2.1 感应式电能表结构及工作原理 电能表由电磁元件（包括电压元件和电流元件），转动元件，制动元件，计度元件，轴承等构成。 （1）驱动装置由电压电磁铁、电流电磁铁和装于轴上的铝质圆盘构成。用来产生驱动力矩，驱动力矩正比于被测电路消耗的功率： （2）转动元件由铝质转盘和竖转轴用合金压铸在一起组成。 （3）制动装置由永久磁铁与圆型铝盘构成，大小正比于铝盘的转速： 当转动力矩与制动力矩相等的时候铝盘将以匀速转动，此转速N正比于电路的功率： （4）计数装置是一个十进制的机械式计数器，用来记录铝盘转数。 C称为电能表常数。铝盘转数乘以常数C就是被测电路消耗的电能。 2.2 电子式电能表工作原理 电子式电能表的结构主要包括：输入部分、乘法器、积分部分、输出部分。电子式电能表工作原理是通过电压采样和电流采样，将电压信号和电流信号送入乘法器得到功率，然后通过积分电路，也就是进行V/F压频变换，得到对应的频率，通过对频率信号计数得到被测电路消耗的电能值送至输出。 3.谐波对电能计量准确性的影响 电能计量装置是针对工频正弦波电压设计的，由于谐波的存在使得电能计量装置偏离约定的计量环境状态，产生误差。谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，从理论上讲任何周期性波形都可以将它分解为傅里叶级数来进行分析，也就是进行频域分析，因此电能计量装置的频率特性是研究基波变形对电能计量影响的重要依据。 3.1 感应式电能表的频率特性 根据已经建立的感应式电能表频率特性模型，采用MATLAB[2]数学工具软件模拟仿真，将数据直接进行图形化处理，可以直观方便地展示输入、输出之间的关系。通过程序绘制图形，可以得到感应式电能表的误差频率特性曲线。 （1）感应式电能表的计量误差频率特性曲线呈迅速下降趋势，即感应式电能表在计量高频电能误差时，会出现负误差； （2）计量误差随频率的增高而增大；当频率为1000Hz左右时，误差超过了-90%； （3）不同功率因数下的误差值有一定的差异。 3.2 电子式电能表的误差频率特性 电子式电能表的误差频率特性曲线从参考资料上可以见得[3]。随着频率升高，误差值增大，整个曲线近似为一个二次曲线。和感应式电能表相同，电子式电能表计量误差随着谐波频次的升高而增加，但总体来看，电子式电能表计量误差比感应式电能表计量误差小得多，20次谐波频率特性误差值不超过4%。 3.3 感应式电能表和电子式电能表的误差频率特性比较 通过两者的频率特性可以看出：感应式电能表随着高次谐波的增加，误差频率特性曲线衰减很严重，而电子式电能表的误差频率曲线则相对平坦，这说明电子式电能表具有较宽的频率响应特性。 以上分析可以得出：感应式电能表有迅速下降的误差频率特性，使得感应式电能表只能计量谐波的一部分。若以表示基波电能，表示谐波电能，表示电能表所计量的电能，则感应式电能表反映电能值近似可表示为： 其中：为谐波电能系数，表征谐波被计量的程度，显然，且随谐波频率次数增加而减少。 电子式电能表误差频率特性曲线变化较为平缓，即电子式电能表计量基波电能和几乎全部谐波电能。因此电子式电能表计量可近似表示为： 在以全能量为计量标准的计量中，电子式电能表的计量误差接近于零，但是以基波为计量标准的计量中，电子式电能表的计量误差将比感应式电能表的计量误差大。 4.谐波对电能计量合理性的影响 4.1 谐波作用下的计量方式 按照对谐波的反应能力，电能表有三种计量方式： （1）反映基波功率和有限的一些谐波功率；如感应式电能表；根据实验研究，感应式电能表其近似模型为： （3）只能反映基波功率，不能反映谐波功率；目前这种电能表还未在商业上推广应用。 4.2 两种电能计量标准及计量误差分析 如上所述，两种计量方式分别为： （1）计量全能量，可表示为： （2）计量基波电能，即。 1）若以全能量作为计量的标准，感应式电能表的误差为： 2）当以基波电能作为计量标准时，感应式电能表的误差为： 即谐波功率与基波功率方向相同时，谐波功率由系统注入用户，用户电能表计量电能大于基波电能。 即当谐波功率与基波功率方向相反时，谐波功率由用户注入系统，用户的计量电能比实际吸收的基波电能少。 3）对于电子式电能表，以全能量作为标准，误差为： 4）若以基波为计量标准，则： 谐波功率为正，误差为正；谐波功率为负，误差为负。 综合前面的分析结果，不论以哪种计量标准计量电能，由于电网中谐波的存在，都会带来一定的计量误差。 4.3 当前电能计量方式的不足 传统的全能量计量方式是计量基波电能和谐波电能的代数和，针对实际电力系统，在电能计量中存在如下问题： a.当负荷为线性，而供电为非正弦。这时电能表计量的是基波电能和部分谐波电能，谐波不仅对用电设备有害，而且还使用户要多交电费，这显然是不合理的。 b.对于第二种情况，由于用户为非线性，根据前面的分析，非线性负载将产生谐波功率及电能，并将一部分倒流入系统中，此时电能表计量的是基波电能减去倒流入系统的谐波电能。非线性负载不仅污染了电网，而且还要少交电费，这使供电部门的经济效益受到损害。 c.当电源畸变、负载为非线性，情况比较复杂。负载从电网吸收基波和谐波电能，同时也将有谐波流入电网。相当于第一种和第二种情况的综合。 5.提高测量精度的策略 为了提高电能计量的精度，可采用以下方案：可以使电能表只准确反映基波功率，而完全不反映谐波功率。我们可以采用高阶低通滤波器滤除掉进入电能表的高次谐波，使电能表仅反映基波电能。对感应式电能表，可以利用如单频调谐滤波、高通滤波和双频滤波等交流滤波线路进行滤波；对电力部门和线性负载用户来说，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；对非线性用户来说，虽然全部承担了基波电能的费用，但还远不能补偿电力系统因其产生的谐波而受到的损失。此方案在电能计量上合理，也较容易实施。 6.结论 （1）感应式电能表能准确的计量基波电能及计量部分谐波电能。谐波的流向与电能表计量误差相关，当谐波流向与基波流向相同时，感应式电能表少计量了总功率，当电能表流向与基波流向相反时，感应式电能表多计量了总功率。 （2）在以全能量为计量标准的计量中，电子式电能表的计量误差接近于零，但是以基波为计量标准的计量中，电子式电能表的计量误差将比感应式电能表的计量误差大。 参考文献 [1]林杰.谐波对电能计量影响的研究[J].上海计量测试， 1999（3）：44-46. [2]Duane Hanselman，Bruce Littlefield，李人厚，张平安等译校.精通MATLAB-综合辅导与指南[M].西安交通大学出版社，1998（第1版）. [3]谐波对电能计量的影响[J].电子科学，2009，2：112-113.