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10《计量与测试技术》2009年第36卷第2期

电力系统谐波对电能计量的影响分析
ElectricalPowerSystemOvertonetoElectricalEnergyMeasurementImpactAnalysis

罗灵
(四川省南充市市政工程管理处,四川南充637000)

摘要:电力系统中,非线性负载会引起交流正弦波畸变产生谐波,污染工频电网。本文对非正弦波有功电能正确计量,电子式电能表在含有谐波的
电能计量中产生误差的原因进行了分析,并对电子式电能表的谐波影响检定方法作了介绍。
关键词:交流电;正弦;非正弦;基波;谐波;有功电能

1正弦交流电路的电能计量关。只有当同频率的正弦电压和正弦电流在同相位的情
正弦交流电路中正弦交变量的三个要素是幅值(有况下才全部合成有功。当然大家对电流、电压只有同相
效值)、角速度(频率、周期)与初相角。正弦交流电路中位部分才做有功电能都非常清楚,但是往往对同频率这
的瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率都与正弦交变量的三要个关键会被疏忽。我们必须指出“:不同频率的电流、电
素有关,它们的波形为图1所示:压之间不产生有功”,5010Hz的额定电压和5011Hz的满
度电流是不产生有功的。当电流和电压频率不一样,那
么它们之间相位始终是在变化着的,就不可能确定功率
因数值。这个基本概念是决定我国目前进行谐波电能正
确计量问题的关键所在。
由于感应式电能表的频率特性范围很窄,它的铁芯
只能工作在(45～65)Hz的工频范围,测量基波功率和电
能。随着频率增高,误差向负方向增大,即计量所得到的
电能量就减少。频率响应曲线下降主要是铝盘的等效阻
抗角随着频率增高而增大所至。由于高次谐波的频率远
图1瞬时功率变化远高于这个频率范围,故不可能计量谐波电能,因此在使
用感应式电能表时就不用讨论谐波计量技术。然而随着
ωφωφ
瞬时电压:u=Umsin(t+1)=2Usin(t+1);电子式电能表新技术不断发展,使其频率特性可以达到

瞬时电流:i=Imsin(ωt+φ2)=2Isin(ωt+φ2);极宽的频率范围,谐波电能计量就成为大众关注的焦点。

瞬时功率:P=ui=Umsinωt·Imsin(ωt-φ)=在有谐波的情况下,如何测量功率和计量电能以用来进
2UIsinωt·sin(ωt-φ)=UIcosφ-UIcos(2ωt-φ)行收费结算,这个问题和谐波标准密切相关,是一个关键
即交流电路消耗的功率包含两部分:一部分为的基础理论问题。
UIcosφ;另一部分为-UIcos(2ωt-φ),它是以两倍于2非线性负载的危害性
电源频率的频率随时间作正弦变化的分量。以前所用电器一般都是电工机电式的,是铁芯和电
1T磁线圈组成的负载,这种负载常常称为线性负载。而所
有功功率:P=pdt=UIcosφ
T∫0有的半导体元件都属于非线性负载。顾名思义:非线性
2
有功电能:W=pdt负载的负载特性为电压增加与电流变化不成比例关系,
∫1
例如半导体器件二极管在阻断状态(反向电压下)时仅有
式中Um,Im为电压、电流的幅值(最大值);ω为角频
极小的漏电流,因此在电压正弦波过零前后时并不导通,
1
率:ω=2πf=2π(T为周期);ω、ω为电压、电流的
T12当瞬时电压值高于二极管结压降时才导通;二极管导通
初相角;ω为电流初相角与电压初相角之差(功率因数时当达到饱和时即电压升高而电流增加很快,一旦超过
角)。最大允许电流时即被软击穿或超过二极管耐压时被硬击
由此可见,在正弦交流的电能计量中,电压、电流产穿,因此形成如图2所示的波形,所以它是非线性的。
生的有功电能与它们间的功率因数角φ、角频率ω有

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罗灵:电力系统谐波对电能计量的影响分析11

清楚,我们从谐波的形成说起。
3谐波的产生
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。
图2二极管福安特性,
电力电子技术的应用不外乎采用整流二极管作整流
在电力生产运行中,由于用户的非线性负载对电网
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
的高次谐波电流,而单相非线性负载还产生不对称的高AC/DC
变换形式。
次谐波和不平衡负载,造成电网电压波形严重畸变和三
众所周知像一般的开关电源电