論電力諧波對電能計(jì)量的影響

【摘 要】在電力運(yùn)行系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的電力諧波嚴(yán)重影響電能質(zhì)量的好壞，更有甚者則會(huì)造成有關(guān)的電力部門的電能計(jì)量表計(jì)的漏計(jì)，而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非線性用戶向電網(wǎng)注射的電力諧波也越來越多，對電網(wǎng)造成的影響也就越來越大，本文主要針對電力諧波對電能計(jì)量的影響進(jìn)行分析論述。

【關(guān)鍵詞】電力諧波 電能計(jì)量 影響

一、電能質(zhì)量與電力諧波

頻率、電壓和波形是檢測電能質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的3個(gè)參考數(shù)據(jù)。國家法規(guī)對于電力供應(yīng)中的頻率、電壓和波形所需達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)早就有具體規(guī)定：對于用戶受電端電壓變動(dòng)的幅度范圍：35kV以及以上電壓可以有偏差±5%；10kV以及低壓用戶可以偏差±7%；220V照明用戶電壓可以有偏差+5%、-10%。頻率標(biāo)準(zhǔn)可以偏差±0.2 Hz。用戶總電壓正弦波形畸變極限為0.38kV 5%，6-10kV 4%，35-63kV 3%，ll0kV 1.5%。但是波形在電網(wǎng)運(yùn)行過程中常常會(huì)被非線性用戶負(fù)載所影響，比如：在大功率可控制硅整流設(shè)備中，如果有了正弦波電流電壓的注入，因?yàn)樗哂袉蜗驅(qū)щ娦缘奶刭|(zhì)，所以電流會(huì)有非線性的變化，這就會(huì)導(dǎo)致電流波形的極度畸變。在電力領(lǐng)域之中，K（K是大于0的整數(shù)）倍大于基頻的數(shù)值就是我們熟悉的諧波，用公式表示就是：i=I0+I1sin（1）+I2sin（22）+I3sin（33）+…+Insin（n （1）

用通式表示i=I0+ （2）

公式中的k代表1，2，3，…，n諧波次數(shù)。從這兩個(gè)公式中可以看到因?yàn)橛胁煌闹C波頻率，在運(yùn)行中也會(huì)遇到不一樣的阻抗，所以會(huì)產(chǎn)生一系列幅值和相位大不相同的諧波壓降。這就導(dǎo)致正弦電壓有極度畸變的跡象。在電網(wǎng)電力的運(yùn)行中，如果想讓電能的正弦波達(dá)到所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，就需要對有可能引發(fā)諧波的廣大用戶進(jìn)行組織與管制。

二、為什么產(chǎn)生諧波

變壓器是很常見的儀器，它同時(shí)也是諧波源的鼻祖，也就是說它是在各種先進(jìn)裝置出現(xiàn)之前的，用來作為諧波源的最主要的方式。因?yàn)樗募夹g(shù)比較落后，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)值就非常小，因此有極大的限制?，F(xiàn)在通過變壓器所發(fā)出的諧波數(shù)量是十分稀少的，所以它已經(jīng)處于很次要的位置。反之，各種先進(jìn)的電力電子裝置則晉升為最主要的諧波源，不僅如此，她們還有眾多的多次諧波的組合。電力電子技術(shù)的應(yīng)用不過是運(yùn)用整流二極管作為整流的器件，然后把交流電變換成為直流電，因此整流二極管工頻整流的工作也就成為電力電子的最普遍、最基本的電能形態(tài)中AC/DC的變換形式。大家都知道，像通常的與電力電能有關(guān)的先進(jìn)開的裝置，都會(huì)優(yōu)先采用大電容器濾波和橋式整流器作為轉(zhuǎn)換AC/DC的變換器，有大容量濾波電容器使得二極管的導(dǎo)通角變得很小，而且只會(huì)在交流電壓正弦波升到最大值附近的時(shí)候才會(huì)開始疏通，所以會(huì)引發(fā)交流輸入電流波形的極度畸變，三次諧波有時(shí)候可能會(huì)超過基波以上，所以導(dǎo)致線路功率因數(shù)十分低，一般都在0.6以下。從非線性元件所注入交流線路上的電流i也不會(huì)再是呈現(xiàn)出交流正弦波形的形狀。如果使用傅立葉公式對畸變的波形作出變換，那么交流進(jìn)線所產(chǎn)生的的電流is可以看作是基波頻率為整數(shù)倍的諧波分量數(shù)值和工頻基波分量（i）數(shù)值相加的和。如果電源電壓出現(xiàn)純正弦波，那么僅有正弦波才有可能會(huì)輸入最大功率，由于它們的頻次是一樣的，相位也不與9O相等，所產(chǎn)生的平均數(shù)值也不是零。在這種狀況下整流器的總共傳輸功率就等同于電源電壓的方根值和電流基波的方根值（i）的相乘的結(jié)果，然后再乘以位于Us的相位角1的余弦cos1。用公式表示就是：P=Us（i）cos1

功率為：S=USIS，由上面的公式可以得到：PF=USI1cos1/USIS

在電流i畸變的更加嚴(yán)重的情況下，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電流的比值變的更加小，就算相移功率因數(shù)DPF約等于單位1，功率因數(shù)PF還是不能得到提高。在AC/DC的轉(zhuǎn)換的過程之中，在不存在所謂的二次效應(yīng)對電力諧波電流產(chǎn)生影響的前提下，就大致可以判斷它是標(biāo)準(zhǔn)的正弦，而另一個(gè)則是與之相對應(yīng)的非正弦。由以往的經(jīng)驗(yàn)推算可以知道，在同一個(gè)線路上，經(jīng)過它的電流畸變必定要比它所產(chǎn)生的電壓畸變大出許多，這個(gè)結(jié)論是有理可循的。但凡是電流畸變比較大，那么它的功率因數(shù)數(shù)值必定是十分低的。但是要切記，如果情況反過來就不一定了。經(jīng)驗(yàn)老道的電氣工作人員只要是看到用電器所消耗的功率因數(shù)已經(jīng)接近單位1的時(shí)候，就能夠肯定這個(gè)電路中的電力諧波數(shù)值非常小了。能夠降低電力諧波的數(shù)值、控制電壓和電流的畸變以及提高線路有功功率因數(shù)的非常有效的辦法就是這幾年興起的糾正功率因數(shù)的相關(guān)（PFC）技術(shù)。APFC是用來糾正有源功率因數(shù)的先進(jìn)科技。

三、諧波對電能計(jì)量影響的機(jī)理

電力諧波從諧波消耗的有功功率不是零和電能計(jì)量裝備對于有功功率所特有的響應(yīng)特性這2個(gè)不同方面對電能計(jì)量發(fā)出干擾。與此同時(shí)，電容式互感器CVT（Capacitor Voltage Transformers）的頻響特點(diǎn)也會(huì)嚴(yán)重影響電能計(jì)量。

（一）諧波源負(fù)荷

本文在分析的時(shí)候假設(shè)系統(tǒng)中有且僅有一個(gè)使用諧波源的用戶，而諧波源供電電壓在這個(gè)用戶接入之前就是十分標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。那么P就是這個(gè)諧波源用戶事實(shí)上所消耗的功率，P2就是輸入電流轉(zhuǎn)換成諧波有功功率所需要的有功功率。所以這個(gè)諧波源用戶從電網(wǎng)中獲取的總基波功率的最終結(jié)果是P=P 1+P2。如果進(jìn)行一個(gè)設(shè)定，把功率設(shè)定為流入母線是負(fù)級，流出母線是正級。那么諧波源所產(chǎn)生的電力諧波電流會(huì)流向母線，而它的負(fù)載就是和的阻抗相等。負(fù)荷總的有功功率就是P1+P2+Ph

在這個(gè)公式中，Ih代表諧波源注入電網(wǎng)的h次電流，Ih代表諧波源在母線上所產(chǎn)生的h次電力諧波電壓，換句話說就是所謂的相電壓，Rh 則代表使用諧波源的所有者在接入非私用電網(wǎng)電力時(shí)候的等同于電力諧波電阻的數(shù)值，h代表電力諧波經(jīng)過的電流Ih電力諧波所產(chǎn)生的電壓 Uh所形成的夾角。

（二）非諧波源用戶所用功率

母線諧波電壓的存在導(dǎo)致使用非諧波源的用戶所用功率數(shù)值為P1+Ph，其中：Ph=3hIhcosh

顯而易見，從非諧波源用戶的角度來說，因?yàn)楸浑娏χC波所污染，而且Ph與P1是相同方向，所以可能會(huì)多計(jì)算出許多電量。依據(jù)以上的有力論證，引發(fā)電能計(jì)量問題的主要原因就是所存在的諧波功率的，如果諧波源用戶通過諧波管制，從而使得諧波電流不能被注入電網(wǎng)，那么注入電網(wǎng)的諧波功率自然而然就是Ph=0，然而在這種狀況下，這個(gè)用戶既不能污染電網(wǎng)電能，也不會(huì)干擾常規(guī)的電能計(jì)量。

四、電力諧波對電能計(jì)量的影響

（一）諧波影響感應(yīng)式電能表

1.諧波功率

電力系統(tǒng)中的非線性所消耗的功率可以分成從電網(wǎng)中獲取的基波功率和諧波功率這兩個(gè)大部分。理論研究顯示，電力諧波的有功功率一定為負(fù)數(shù)，換句話就是說非線性負(fù)載就是另外一個(gè)存在的諧波發(fā)出者，這些消耗的有功功率是負(fù)載由電力中獲取的有功功率的一些轉(zhuǎn)化生成而來的，并不是憑空產(chǎn)生。

2.感應(yīng)式電能表的特性

我國現(xiàn)在在電工學(xué)科的電能計(jì)量中運(yùn)用最廣泛的計(jì)量儀器當(dāng)屬我們所熟悉的感應(yīng)式電能表，這個(gè)類型的計(jì)量儀器按照基波的不同頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，有著十分敏銳的反應(yīng)靈敏度。我們所分析的電流和電壓的畸變對于電能儀器的干擾程度的主要根據(jù)也就是從它所具有的頻率性質(zhì)而來的。從頻率和誤差的關(guān)系曲線中就可以知道它們所產(chǎn)生的的誤差是負(fù)值，值得注意的是這個(gè)數(shù)值會(huì)隨著頻率的不斷增加而跟著加大，這就說明感應(yīng)式電能儀表具有不斷減緩的頻率特點(diǎn)。而在對諧波功率的特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，實(shí)際操作中的電能表所顯示的電能值可表示為：

在這個(gè)公式中：P就代表電能表所顯示的電能值：P1代表經(jīng)過電能表的基波值，Pn代表經(jīng)過電能表的第n次諧波值：k1、k2分別代表對應(yīng)于基波功率和n次諧波功率所代表的比例系數(shù)。如果按照這樣計(jì)量的結(jié)果，那么非線性負(fù)載用戶不但會(huì)發(fā)出對電網(wǎng)及電力設(shè)備造成重大危害的諧波，而且會(huì)少計(jì)量輸入的電能值，給供電部門造成重大損失。這是因?yàn)槭褂镁€性負(fù)載的用戶在獲取了諧波的同時(shí)，又多計(jì)量了它所輸入的電能，這就會(huì)增加電費(fèi)支出。而且這種情況顯然是不合理的。

（二）諧波影響電子式電能表

電子式電能表比感應(yīng)式電能表更加高端，比如它的準(zhǔn)確度更加高、功能齊全、使用方便等等，現(xiàn)在對它的運(yùn)用也更為廣泛。

1.電子式電能表是怎么工作的

電子式電能儀表是以不同數(shù)字的功率表為基礎(chǔ)而蓬勃發(fā)展的，按照它的具體框架結(jié)構(gòu)和工作原理的顯著特質(zhì)，可以把它具體分為四個(gè)基本部分。在這之中，乘法器可以把兩個(gè)不同電壓的模擬量轉(zhuǎn)化成2個(gè)電壓數(shù)值相乘的結(jié)果。而與之相對應(yīng)的時(shí)間分割乘法器的優(yōu)點(diǎn)就較為突出，例如它響應(yīng)速度快捷、測量十分精準(zhǔn)等等。

2.電子式電能表的誤差

和感應(yīng)式電能儀表的大致頻率曲線做對比，電子式電能儀表的曲線就顯的十分平滑，基本上沒有什么大起大落，這就說明它具有寬頻帶的特點(diǎn)。電子式電能表通過對電流、電壓的樣本計(jì)算來計(jì)量有功功率的電能。和感應(yīng)式電能表相比較，電子式電能表因?yàn)轭l帶較寬而且范圍廣泛，所以對于所用電能就有比較精確的計(jì)量，但是因?yàn)樵搩x器把各種不同功率都是用一樣的計(jì)量方法，所以會(huì)加大電能計(jì)量的誤差。

五、結(jié)束語

總而言之，電力諧波關(guān)系到多方面的經(jīng)濟(jì)利益。電力諧波不僅會(huì)干擾輸配電和用戶的電力設(shè)備的正常使用，增加用戶的無功功率電費(fèi)的消費(fèi)，而且也嚴(yán)重危害了其他設(shè)備的元件。而隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們在日常生活和生產(chǎn)中對于電能的依賴也會(huì)日益加大，所以更加要減少電力諧波對于電能計(jì)量的影響。