浅析电能计量

中图分类号：R363.1+24 文献标识码：A

一、谐波功率和谐波源的含义

众所周知，在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意义上的正弦波形，其都不同程度的存在谐波含量。由于有谐波电流和谐波电压，当然还有谐波功率。类似于基波的情况，谐波也存在着有功功率和无功功率，其中有功功率对电力系统正常运行有直接影响，而无功功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。

谐波有功功率产生于各种谐波源。但是，对于任何一个谐波源而言，它们无法发出各种谐频，一般只发出几个主要谐波频率特征的谐波功率，在其他谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波源发出的谐波功率净值通常为正值，主要谐波源是谐波电流源。换言之，即使他们的端电压是正弦波形，电流也未必是正弦波。当电源连接到基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此，用电时基波功率不完全是为自身消耗，而是转为谐波功率，并被迫返回到电源系统。用户接入配电系统只需要接受有效率的基波功率，而谐波功率不仅不是多余的，甚至会导致发电机、电动机、变压器等发热的不利影响。

二、谐波产生的方式

在电力电子装置出现以前，变压器是主要的谐波源，它是以3次谐波为主的奇次谐波，其量值很小，是很有限的谐波源。目前由变压器所产生的谐波由于量少已退居很次要的地位，而各种电力电子装置已成为最主要的谐波源，并且还是丰富的多次谐波的组合。电力电子技术的应用不外乎采用整流二极管作整流器件，把交流电变换成直流电，因此整流二极管工频整流也就成为电力电子的最基本、最普遍的电能形态AC/DC变换形式。众所周知，像一般的开关电源电子整流器及变频调速器、直流电力机车、电化学工业整流等装置，都优先采用桥式整流器和大电容器滤波作为AC/DC变换器，由于大容量滤波电容器的存在，使二极管的导通角变得很小，只在交流电压正弦波的最大值附近才开始导通，因此造成交流输入电流波形严重畸变，三次谐波有时可能超过基波以上，呈窄尖峰脉冲（图1），故线路功率因数极低，通常在0.6以下

由非线性整流元件使输入交流线路上的电流is不再是交流正弦波形。利用傅立叶公式对周期畸变波形作频域变换，交流进线电流is可以表示为工频基波分量（i）s（1如图1中虚线所示）和与频率为工频整数倍的谐波分量（还有次谐波分量）之和。假定电源电压为纯正弦波，则仅有基波电流才可能传输平均功率，因为它们频率相同，相位不等于90°，产生的平均功率不为零。这种情况下这里整流器的平均输出功率等于电源电压均方根值和进线电流基波均方根值（i）1的乘积，再乘以（i）1滞后于US的相位角1的余弦cos1。即：

P=U（si）1cos1

视在功率为：S=USIS，其中US、IS都是有效值。

功率因数定义为：PF=有功功率视在功率=PS

当进线电流is畸变严重，则电流比值（i）s1/Is就越小，即使相移功率因数DPF接近于单位1，整流器的功率因数PF仍然很低。在AC/DC变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压为正弦，输入电流为非正弦，这里电流有效值为：

式中，（Is）n是第n次谐波电流的有效值。设基波电流滞后输入电压的角度为1，则：

式中，K［d=（Is）/Is］是电流波形畸变因子；K（d=cos1）是相移因数，即功率因数为电流波形畸变因子与相移因数之乘积。

在电网中由于供电线路和变压器总要大于用电器的功率消耗，因此任何线路上的电压畸变总要比电流畸变小得多。凡是电流畸变较大，总谐波（THD）大的负载，那么它的功率因数肯定是很低的。但要注意记住，反过来就不一定了。有经验的电气专业人员只要测量到用电器的功率因数接近1时，就可以肯定此电路中的谐波含量很小。功率因数校正（PFC）技术是抑制波形畸变、减小谐波含量和提高线路功率因数行之有效的方法。APFC是有源功率因数校正技术，对输出300 W以上的各种电源变换器均需要采用APFC技术来提高功率因数。

三、谐波对电能计量装置的误差影响

1、电磁感应式电能表

传统的电磁感应式电能表是按照基波来设计的。当除基波外还有高次谐波分量电压和电流时，电能表的电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻抗发生变化，导致工作电压磁通和电流磁通发生变化，电磁转盘的驱动力也发生变化，由此产生了电能表的计量误差。与此同时，由于谐波和基波的相互叠加的形式存在，波形发生畸变，而电压和电流线圈的铁心是非线性的，磁通不能随波形的变化相应成线性变化。根据电路理论可知，只有在相同频率电压和电流相互作用时才产生平均功率。电能表在畸变的电压和电流通过电磁元件之后，磁通不与波形发生对应的变化，导致电磁转矩不能与平均功率成正比例，即：电磁感应式电能表在谐波存在时由于不能将不同频率的正弦电压和电流产生的电磁转矩叠加，不能计量谐波有功电能，从而产生计量误差。

2、全电子式电能表

全电子式电能表在进行数值计算时，CPU可以将包含不同频率的且按照正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样计算。从理论上分析，这样的计算方法能有效地记录负载基波和谐波的总平均功率耗用值和电量。然而，受谐波电流的流动方向的影响（与负载电流的方向相反），当谐波是从负载流向电网时，由于全电子式电能表是将基波有功电能和谐波有功电能进行代数和，这时记录下来的电能量比负载所消耗的基波电能还要小，这是该电能表的最大缺点。另外全电子式电能表产生误差的原因是多方面的，如温度、电压电流、频率等外界条件，电压电流变换组件的分散性，电能量的计算方法等等。这些方面的影响在存在高次谐波时均存在着。

四、谐波环境下准确合理的电能计量方法

要对谐波环境下电能进行准确的合理计量，主要出发点在于区分基波（有用）功率与谐波（无用）功率。采用的方法主要有：

1、采用频率陡降的电能表（基波电能表），仅能计量基波功率此时，仅对线性负荷有效，无法对非线性负荷产生的谐波进行计量

2、采用分频技术分别计量基波电能与谐波电能及其方向，并利用电费杠杆进行调节。用户电费由3部分构成，即基波（实际有用的）电费，产生或发出谐波电能所应承担的惩罚性电费，能吸收或消耗谐波电能所获得的奖励性电费。

3、采取技术和管理2方面的措施，加强对非线性负荷的准入制度，切实抑制谐波含量。当谐波含量在允许的范围内时，电能计量的准确性能得到保证。传统定义认为，谐波电压（谐波电流）与基波电压（电流）共同构成有效电压（电流），谐波功率与基波功率共同构成有效功率。因此，要求常规电压（电流）表及有功功率表的频率特性以固定不变为理想。其实质是将谐波量与基波量同等看待，即谐波影响常规仪表测量的要害是不能准确反映工频（基波）电气量。在谐波环境下，这种观念在对电能进行计量时是不合理的，计量的准确性愈高则愈不合理。采用分频技术制成的电能表可有效解决这一问题。

五、结语

综上所述，谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其他设备元件也产生了危害。在计量回路中应用新型的基波电能表，采用分频技术分别计量基波电能和谐波电能，加强非线性负荷的准入制度，将大大降低谐波带来的电能计量误差，维护好企业和用户的利益。