谐波功率测量

浅述谐波功率测量

摘要：非线性负载引起交流正弦波畸变产生谐波，污染工频电网。电力系统中存在的大量谐波对电能计量的准确性产生了严重的影响。谐波测量是谐波问题研究的出发点和主要依据，概述了电力系统谐波度量方法，并对电力系统谐波测量的方法进行了分析和评述。通过对电能计量中谐波影响因素的分析，不断提高电能计量的准确性。

关键词：谐波测量；谐波功率；电能表；小波分析

电能计量是发电企业、输配电企业、电力用户之间进行贸易结算的依据，它的准确性与合理性直接影响三者之间的利益。

而另一方面．随着电力电子技术的发展，大量的电力电子变流装置和各种非线性负载的比重不断增加，引起电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的角度来看，在这些畸变的电流和电压波形中，不仅仅包含与供电电源同频率的正弦量，而且出现了一系列的频率为基波整数倍的正弦分量。这一系列的正弦分量统称为谐波。

电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，对电力设备构成危害，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能，并反馈给电网，造成供电企业线损增加，电力营运企业非经营性成本增加。为此有必要研究在谐波影响下的电能计量，使电能计量管理更加合理[1,2]。

1 谐波功率的产生及危害

随着电力电子技术的发展，非线性负载是普遍存在的[3,4]，尤其是晶闸管(可控硅)技术的发展，工农业、交通部门都在大量使用硅整流、换流和变频技术，例如电气化铁路采用单相交流电硅整流，冶金部门在轧钢机、电弧炼钢炉，矿山的卷扬机，有色金属冶炼的电解槽，化工部门的电离加工等等方面都离不开硅整流设备。就是在家用电器方面也少不了采用硅整流技术。如电视机、计算机、洗衣机、变频空调、手机、电动车电池的各种充电器和开关电源以及冷光照明、节能灯和调光灯等等都属于非线性负载。

在电力生产运行中，由于用户的这些非线性负载对电网产生了严重的有害影响。主要原因是这些负载产生大量的高次谐波电流，而单相非线性负载还产生不对称的高次谐波和不平衡负载，造成屯网电压波形严重畸变和三相不平衡。工频换流变压器严重过载，可使供电系统的电能利用率降低约1/3。这种现象不论对电力系统的发电、输电、配电设备和继电保护、自动控制装置，还是和连接至电网的各类用户的用电设备以及对音频控制系统、通讯线路和计算机均产生干扰，使线路照明闪烁、增加交流系统中旋转电机和其它电气元件的附加谐波损耗与发热，缩短其使用寿命，产生程度不同的有害影响。发电机长期带大量的不平衡负载，网损线损成倍增加；造成自动控制装置失灵和继电保护(尤其是利用负序量的保护)出现拒动和误动作。电容补偿装置的谐振和谐波电流的放大，严重时将造成设备损坏；使常用电气测量仪表误差增大，严重时发生错误指示使用户的实际用电量与计费电能表的计量数相差甚远，供电系统蒙受严重经济损失。

2 谐波功率流向[5,6]

只有当同频率的正弦电压和正弦电流在同相位的情况下才全部合成有功。当电流分量和电压分量都发生畸变，通过下图来分析谐波功率的流向。

图1 谐波存在下的谐波功率流向图

u(t)-电网电源，可视为正弦电压源；Rf-线路电阻；Rl-广线性负荷电阻；Rn-非线性负荷电阻；实线箭头-基波功率潮流的方向；虚线箭头-n 次谐波功率潮流的方向。

由图中看出，非线性负荷发出的谐波功率实际上又被系统中的电源、线路或线性负荷所吸收。又因为非线性负荷本身不是电源，不可能产生能量，所以作为谐波源，其能量只能来源于自身吸收的能量。由此可以得出结论；谐波功率是由非线性负荷从系统中吸收的基波功率中的一部分转化而来的。

3 对电能表计量的影响

由于有谐波功率的存在，对电力系统造成了很大的危害，并且对电能表的计量也产生了很大的误差[7,8]。

3.1 感应式电能表的影响

图2 感应式电表结构示意图

图2为感应式电表结构示意图，当交变磁通穿过转盘产生感应电流，电压磁通和电流磁通与转盘中产生的感应电流相互作用，在转盘上产生驱动力矩。

计算公式

ΨΦK ΦM ΥΙQ sin

式中 K —系数 ФI —电流磁通 ФU —电压磁通 Ψ—电流磁通超前电压磁

通的相位角

为使得转盘能够有一个稳定的转速来正确反映一定的负载功率，在转盘上附

加一个永久磁铁，可以对转盘产生一个制动力矩M T 。M T 的计算公式

T T T T nh ΦK M 2

=

式中 h T —力臂 n —装盘转速 ФT —通过转盘的制动磁通 K T —制动力矩 常数

当M Q =M T 时，转盘能够做匀速转动，可以得到转盘转速与负载消耗电能的关系。设在末段时间T 内，负载功率不变，转盘转数为N ，则有

AW APT N ==

式中 A —电能表常数 W —负载在T 时间内消耗的电能 P —有功功率 理论上，感应式电能表的计量模型为： ∑+=n n P K P P *1

式中：P1为基波功率，Pn 为n 次谐波功率，0<|Kn|<1,为电能表对高次谐波电

能的响应系数。

图3 感应式电能表的频率特性曲线

电能表的频率特性是研究在畸变波形下电能表运行状况的重要依据，电能表频率特性曲线平坦与否对其在谐波功率下计数有很大影响。感应式电能表的频率特性曲线如图3所示。

通过对感应式电能表的频率特性曲线及相应数据的分析，能够得到：

1）感应式电能表的电能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时，会出现误差。

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-90％。 由于感应式电能表是在工频附近很窄的频带范围内设计的，只能计量基波电能和一定频率范围内的谐波电能。对线性负荷而言，基波功率方向和谐波功率方向相同，Kn>O ，因此感应式电能表计量的电能大于基波电能，但小于基波与各次谐波之和；对非线性负荷而言，基波功率方向和谐波功率方向相反，Kn

3.2 电子式电能表

目前投入使用的电子式电能表主要是时分割乘法器式的电子电能表。其基本结构框图如图4所示：

根据电子式电能表的频率响应曲线，其对各次谐波的响应系数Kn ≈1，它反映的用户消耗电能较接近实际。当电网中的电压和电流信号只有一个发生畸变，而另一个信号仍为正弦波时，根据正弦函数的正交性可得，电子式电能表在这种