非线性负荷中电能计量方式的研究

沈明炎, 肖娜丽

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

1 引言

随着国家对“中国制造2025”的大力推进，工业高新技术蓬勃发展，电力电子技术不断突破提升，如电弧炉、整流器、变频调速装置、荧光灯及各类电力电子设备等诸多非线性负荷得以广泛使用，从而致使电力系统中因这类负荷产生的谐波在迅速增加，使得电力系统电压、电流波形发生严重的畸变，对电力系统安全和经济运行以及用户端产生严重的影响[1]。电力系统中，非线性负荷所产生的电力谐波会影响电能表对电量的准确计量，由于电能计量是电网公司进行经济核算的依据，电能的计量精度直接关系到电力供需双方的社会效益和经济效益[2]，从而影响发电企业、输配电企业和用户之间交易的公平性和合理性。因此为确保电能计量精确可靠，研究非线性负荷下电能表的计量性能具有重要的理论和实际意义。

2 非线性负荷的特性简析

非线性负荷是指电流波形与其电压波形不具备线性表示关系，具有非线性伏安特性的负荷，其电流波形因负荷的特性而发生畸变，不呈正弦波形形态，可以从中分解出一系列高次谐波[3]。工作在深度饱和状态的铁芯设备、电子开关电源、电弧炉等都是非线性负荷。

根据傅里叶级数公式展开，可以得到非线性负荷的电量由三部分分量相互叠加组成，分别为直流分量、基波分量和n个k倍于基波分量的谐波分量。根据电工学理论，k倍于基波的分量，称为谐波，表达式如式1所示，其中k表示谐波次数。

在交流系统中，直流分量通常可以忽略，即。则非线性负荷系统的电压和电流为基波和谐波叠加而成，则功率也是由基波功率和谐波功率两部分组成，表达式如式2所示[4]。

谐波负功率产生原理可根据非线性负荷的等效网络模型来分析，如图l所示。

图1 非线性负荷的等效网络模型

根据能量守恒定则，电源所发功率应该等于网络中各部分功率之和，表达式如式3所示。

通常情况下，电网中的非线性负荷，在吸收基波功率的同时,将其中一部分基波功率转化为谐波功率注入系统，成为系统的谐波源，即。用电用户所消耗的功率由两部分组成，其中一部分为从电网中吸收的基波功率，另一部分为向电网反馈的谐波功率[5]。由于非线性负荷的谐波功率会反馈回电网，既浪费了电力资源，又对电网产生危害。

3 非线性负荷中电能表的计量性能

正弦交流电的有功功率。当负荷为非线性元件时，其负荷所消耗的电功率包括基频功率和一系列的谐波功率[6]。根据电工学理论，非线性负荷功率可以用傅里叶级数展开，表达式如式4所示。

电能表根据其工作方式的不同，可分为电磁感应式电能表和电子式电能表，这两类电能表在计量非线性负荷的电功率会产生不同的结果，电磁感应式电能表通过磁感应原理来进行电能计量的，依靠感应磁力产生转矩带动机械构件实现电能计量；电子式电能表则是利用集成电路运算来实现电能计量。

3.1 电磁感应式电能表的计量性能

电磁感应式电能表是通过电流和电压两个电磁线圈产生不同相位的交变磁场，涡流与磁场驱动铝盘转动，使计数器计数。电磁感应式电能表只能计量工频频率的交流电能部分，对于电能所含直流分量则使铁芯饱和，使铝盘制动，影响计量。电磁感应式电能表对高次谐波电能同样不能准确计量，由于高频电量会使铁芯产生高频磁通，继而影响到工频磁通。同时，由于铝盘含有感性成分，高频电量会使阻抗角变大，磁路磁阻增加，线圈磁通减少，导致铝盘驱动力矩减小，使电能计量失准。

因受感应式电能表的原理特性和结构特点的限制，其计量的频率范围较窄，只在50Hz的正弦电压和电流下才具备较好的计量性能。若电压和电流的波形偏离正弦波时，则电能表的计量准确度将大幅下降。

3.2 电子式电能表的计量性能

电子式电能表是利用电能专用计量芯片及其外设电路构建而成，其原理是通过电压电流采样电路将交流电信号采集电能专用计量芯片，计量芯片则完成差分放大、A/D转换、乘法运算、P/F转换等工作，最后将电能计量数据输送CPU，以供显示和存储。电子式电能表具有较宽的频率响应[7]，根据计量需求，电子式电能表可分成基波电能表和多功能电能表。

电子式多功能电能表对谐波功率和基波功率具有相同的响应特性，能同时计量基波功率和谐波功率。在电能计量过程中，分别采样电压和电流的瞬时值并作积分运算，所计量的电能是基波电能和谐波电能的代数和。由此可知，电子式多功能电能表属于全电能计量方式。对于非线性负荷，会向电网回送与基波功率方向相反的谐波分量，电子式多功能电能表所计量的是总电能量，即基波电能量扣除谐波电能量，其值小于基波电能量。

电子式基波电能表只用于计量工频有功电能量，其采集的电压电流信号通过相位校正和高通滤波，基本可过滤掉直流分量和谐波分量，将经过处理的正弦信号通过乘法器运算，得到计量的有功电能量。通过计量的工作原理可知，电子式有功电能表在计量工作中，不计量直流功率分量和谐波功率分量。因此此类电能表能够除去直流分量和谐波分量所消耗的功率，只计量非线性负荷的有功功率，能够准确计量负荷实际消耗的有功电功率。

4 非线性负荷中计量方式研究

根据现行通用的电能表计量方式，电能表能够准确有效地计量总电能量，当用电系统中存在非线性负荷时，不仅会吸收基波功率与谐波功率，而且会反向用电系统注入一部分谐波功率。此时用户实际消耗电能量就会与电能表所计量的总电量不相符合，非线性负荷用户的一部分用电消耗会分摊给线性负荷用户，出现用电计费不合理现象。

文中对电能表在非线性负荷中的计量性能的研究，通过比较分析，感应式电能表和电子式多功能电能表在计量非线性负荷时，均达不到准确计量实际用电情况的效果。如果能够同时分别计量基波电能及谐波电能，既可以准确计量非线性负荷的实际有功用电，又可以计量反向注入电网的谐波电能，因此采用电子式基波电能表和谐波电能表组合计量非线性负荷用电的方式，能够更为科学合理地计量非线性负荷用户的实际用电情况。通过以上计量方式，可以促使非线性负荷用户积极采取措施抑制谐波，提高电力系统供电质量，减少系统内其他用户设备受到危害。

5 结语

针对非线性负荷的用电特点，文中分析了电能表在非线性负荷中的计量性能，结合非线性负荷的特点，分析比较得出对于非线性负荷用户应当采用基波电能和谐波电能综合计量的电能计量方式，能更为精细、科学和公平地计量非线性负荷用户的实际用电情况。此方式对于非线性负荷的电能计量较为合理科学，对进一步解决非线性负荷对电能计量影响，研究新计量方式或新电费计算方式都有一定的参考价值。

参考文献

[1]张纬.含谐波源电力系统的谐波电能计量方法研究[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[2]黄玉春.电力谐波对电能计量影响的分析与探讨[J].电力系统保护与控制,2013(10).

[3]赵慧光.非线性负荷的无功功率及其检测方法研究[D].郑州大学,2006.

[4]黄洪,沈明炎,等.无功电能计量的测量方法研究[J].计量与测试技术,2016(12).

[5]温和印,滕召胜,胡晓光,等.谐波存在时的改进电能计量方法及应用[J].仪器仪表学报,2011(1).

[6]申邵东,魏星.谐波对有功电能计量影响的仿真研究[J].电力自动化设备,2008(2).

[7]王桢.电网谐波对电能计量的影响[J].低压电器,2012(22).