淺談?dòng)性礊V波器在建筑辦公樓宇配電系統中的應用與選型

摘要：本文通過(guò)對諧波概念及其危害的分析，對諧波源的分類(lèi)描述，指明了諧波對于現代建筑整個(gè)供配電系統的嚴重危害，從而引出抑制諧波的重要性、緊迫性，并提供了幾種措施，其中，又通過(guò)具體實(shí)例的分析詳細闡述了有源濾波器在抑制濾波中的應用及其工作原理，并說(shuō)明了采取該措施之后所取得的效果。

關(guān)鍵詞：諧波、危害、措施、有源濾波器

1.引言

近年來(lái)，隨著(zhù)現代化的進(jìn)程的不斷深入，以及國家對于節能減排的倡導，建筑行業(yè)大量地采用整流及變頻設備，整流及變頻器的使用在節能上起到了很好的作用，然而這些非線(xiàn)性負荷的大量使用，并且功率越來(lái)越大，導致了供配電電能質(zhì)量的嚴重降低。這些非線(xiàn)性設備所產(chǎn)生的大量的多次諧波，與供配電網(wǎng)絡(luò )中的系統容抗和系統阻抗在一定的參數條件下，會(huì )形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而會(huì )導致系統中的設備損壞。諧波對于整個(gè)供配電系統的危害已經(jīng)引起了人們的廣泛重視，抑制諧波，提高供配電系統的電能質(zhì)量已經(jīng)刻不容緩。

2.諧波的概念

“諧波"一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數學(xué)分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎，傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱(chēng)為諧波諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)為諧波次數電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數倍諧波，稱(chēng)為非諧波(Non-harmonics)或分數波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染"。諧波是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標之，是電能質(zhì)量技術(shù)監督的重要內容，其污染程度的大小直接關(guān)系電能質(zhì)量的優(yōu)劣。

3.諧波源

諧波通常是由非線(xiàn)性供電設備所產(chǎn)生的，如變壓器、整流器、變頻裝置等，這些設備在吸收基本功率的同時(shí)，也產(chǎn)生諧波電流及諧波功率。對于目前的建筑辦公樓宇*常見(jiàn)的諧波源如下。

3.1變壓器產(chǎn)生諧波

電力變壓器產(chǎn)生諧波主要由于變壓器鐵芯材料具有非線(xiàn)性磁化曲線(xiàn)引起的，變壓器的鐵芯磁化曲線(xiàn)除了一般線(xiàn)性區以外，還有飽和區、死區和滯后區這三類(lèi)典型的非線(xiàn)性區，它以原點(diǎn)對稱(chēng)，在正弦波作用下，勵磁電流為對稱(chēng)奇函數。目前在設計變壓器時(shí)考慮其經(jīng)濟性，所以，其工作磁密選擇均在磁化曲線(xiàn)的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。諧波次數還受其一、二次側接線(xiàn)方式(△或Y)的影響，諧波的大小與磁路的結構形式、鐵芯的飽和程度等有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性工作區越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大。

3.2變頻器產(chǎn)生諧波

隨著(zhù)變頻器產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及人們節能環(huán)保意思的加強，變頻裝置已經(jīng)越來(lái)越普遍的被用于風(fēng)機、水泵、空調等設備中。我們目前常用的變頻器的主電路拓撲一般為交直流型，即將工頻的交流電源變?yōu)橹绷麟娫?，再將直流電源變?yōu)榭刂平涣麟姍C所需要的頻率和電壓，此種變換形式的低壓變頻器，所產(chǎn)生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。有資料顯示，此類(lèi)設備所產(chǎn)生的諧波分量有時(shí)可高達基波分量的50%~60%，由于變頻設備功率大，數量多，因此對整個(gè)供配電系統的影響也就很大。

3.3電子鎮流器產(chǎn)生諧波

目前建筑照明設備幾乎都采用了電子鎮流器，使用電子鎮流器的好處是光效高，消除了頻閃，燈管使用壽命延長(cháng)，功率因素高，噪音低，可調光，且照明設備自身功耗低，節能效果相當明顯。電子鎮流器是一個(gè)將工頻交流電源轉換成高頻交流電源的變換器，此類(lèi)設備所產(chǎn)生的諧波分量均為奇次諧波，有資料顯示，電子鎮流器所產(chǎn)生的諧波分量有時(shí)可高達基波分量的25%。照明設備數量巨大，因此，對于供配電系統的影響也是很大的。

4.諧波的危害

目前由于產(chǎn)生諧波的設備量大面廣，諧波使建筑樓宇的供配電系統面臨著(zhù)嚴重的干擾與破化，諧波的危害主要有如下幾點(diǎn):

4.1電力變壓器

鐵芯磁感應環(huán)流增加，電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效應是使變壓器溫度上升，功耗增加；加速絕緣老化，造成容量裕度減小，影響設備壽命；諧波還可能引起變壓器繞組及線(xiàn)間電容之間的共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，嚴重時(shí)可造成變壓器燈的燒毀。

4.2電力電纜

由于諧波頻率較高，集膚效應和鄰近效應就越大，發(fā)熱損耗增加，加速絕緣老化，影響壽命。況且，3次諧波會(huì )在中性線(xiàn)疊加，以3倍于相線(xiàn)的電流通過(guò)中性線(xiàn)，使中性線(xiàn)電流大大超過(guò)其安全電流值造成過(guò)負荷，這種狀態(tài)下就有可能造成導線(xiàn)過(guò)熱引起線(xiàn)路周?chē)扇佳b修材料起火或中性線(xiàn)熔斷，造成各相電壓不平衡，燒壞線(xiàn)路中接入的電器設備進(jìn)而引發(fā)火災。

4.3電動(dòng)機

對于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機，大的會(huì )引起電動(dòng)機發(fā)熱，導致電動(dòng)機的額外溫升；另外，當電動(dòng)機中的諧波電流，與某零件的固有頻率接近時(shí)，還會(huì )使電動(dòng)機產(chǎn)生機械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。

4.4電力電容器組

用電系統中為了提高功率因數一般都加電力電容器組，而諧波會(huì )加速電容器的老化使電容器的損耗系數加大，附加損耗增加，從而容易放生故障和縮短電容器的壽命。當電容器與線(xiàn)路阻抗達到共振條件時(shí)，會(huì )放大諧波電流，使電容器及熔斷器因過(guò)熱、過(guò)電流、過(guò)電壓等而不能正常運行甚至燒毀。

4.5開(kāi)關(guān)和繼電設備

諧波電流會(huì )引起開(kāi)關(guān)之額外損失，并提高溫升使承載基波電流能力降低，湛升的提高對某些絕緣組件而言會(huì )降低其使用壽命。諧波電流還會(huì )使繼電保護設備產(chǎn)生額外的轉矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤動(dòng)作，低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置，系根據電流峰值來(lái)動(dòng)作，而此種型式之跳脫裝置會(huì )因饋線(xiàn)供電給非線(xiàn)性負載而導致不正常跳閘。

4.6計量?jì)x表、照明、通信等設備

電能測量?jì)x表因諧波會(huì )造成感應轉盤(pán)產(chǎn)生額外的電磁轉矩，引起誤差降低準確度；諧波電流會(huì )引起照明閃爍，使人易視覺(jué)疲勞，降低工作效率，對于通信等設備會(huì )通過(guò)電磁感應、靜電感應與傳到等方式耦合到系統中，從而對設備產(chǎn)生干擾而影響其正常的工作或減少使用壽命。

5.抑制諧波的措施

為了控制諧波的泛濫，凈化供配電系統的波形，提高供配電系統的電能質(zhì)量和效率，國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》。該標準規定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值(表1)、諧波電流值(表2)。

5.1增加變流裝置的整流相數

在裝置里作出結構上的改動(dòng)，包括把一些敏感的設備接與電網(wǎng)的清潔部分，另外，也可選用十二脈沖驅動(dòng)器代替六脈沖驅動(dòng)器。

5.2設置無(wú)源濾波器

當諧波水平較高時(shí)，使用諧波濾波器，傳統上會(huì )采用無(wú)源濾波器，但同時(shí)它也帶出一些問(wèn)題。無(wú)源濾波器是由一組串聯(lián)的電抗器、電容器，有時(shí)還包括電阻器等無(wú)源元件組成，由于無(wú)源濾波器在諧振頻率下的阻抗會(huì )很小，所以相應的諧波電流，不論大小都會(huì )通過(guò)該電路，因此無(wú)源濾波器容易過(guò)載，在過(guò)載時(shí)，機器會(huì )關(guān)掉或被破壞。過(guò)載的原因可能是一些在供電系統里不能預知的諧波源(例如:新增的驅動(dòng)裝置等等)無(wú)源濾波器的濾波程度取決于其阻抗與電網(wǎng)中其他阻抗的關(guān)系，因此，濾波程度很難控制，除此之外，隨著(zhù)時(shí)間的推移，元器件的老化或配電系統內設備的變化，都會(huì )改變諧振頻率，*后過(guò)濾效果會(huì )大大下降。此外，*關(guān)鍵的是無(wú)源濾波器只可以過(guò)濾一種諧波成份如果過(guò)濾不同的諧波，則要分別連接不同的濾波器。

5.3設置有源濾波器

有源濾波器(APF)是近年來(lái)發(fā)展迅速的新技術(shù)，APF是利用可控的功率半導體器件，采用了實(shí)時(shí)檢測的閉環(huán)運行方式，向電網(wǎng)注人與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，有源濾波器能動(dòng)態(tài)地抑制諧波電流并能實(shí)時(shí)補償(大小和頻率都變化的)諧波電流。有源濾波器根據電路組成形式和接入電網(wǎng)的方式不同，可分為電壓源型和電流源型串聯(lián)型和并聯(lián)型。實(shí)際運用中，可以根據供配電系統的實(shí)際情況來(lái)選用適用的型式。有源濾波器的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)使之成為未來(lái)諧波補償的發(fā)展方向，它將取代傳統的無(wú)源濾波器。

有源濾波器的優(yōu)點(diǎn):不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無(wú)功;濾波特性不受系統阻抗等的影響可消除與系統阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應功能可自動(dòng)跟蹤補償變化著(zhù)的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點(diǎn)。

6.有源濾波器在辦公樓宇中的應用實(shí)例

6.1有源濾波器的工作原理

有源濾波器與無(wú)源濾波器的工作原理是不同有源濾波器是通過(guò)電流互感器檢測負載電流，并通過(guò)內部DSP計算，提取出負截電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號發(fā)送給內部IGBT控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)與負載諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到電網(wǎng)中，達到消除濾波的目的。如下圖所示:

BESTSINE有源濾波器能提供三相諧波電流的補償它由以下幾個(gè)部分組成:

一個(gè)脈動(dòng)電流濾波器模塊。它的主要功能是吸收高頻脈動(dòng)電流和補償一定數量的無(wú)功功率。

一個(gè)電磁接觸器模塊用于平穩啟動(dòng)。用來(lái)幫助減少當直流電容器充電時(shí)的涌入電流的幅值。

一個(gè)高頻的電感電容器模塊。作為電力整流器和電力系統之間的電能傳送接口單元。

一個(gè)IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)電力整流器模塊。用于轉換電力系統中的諧波能量和產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網(wǎng)。這樣就能將電網(wǎng)中的諧波抵消掉。

一個(gè)直流電容器模塊，用來(lái)存儲從電力系統中得到的能量，然后將這些能量提供給IGBT整流器去產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成份大小相等、方向相反的補償諧波電流。

1)開(kāi)關(guān)

2)快熔斷保險絲

3)脈動(dòng)電流濾波器模塊

4)平穩啟動(dòng)電磁接觸器模塊

5)高頻電感電容模

6)IGBT電力流塊

7)直流電容模塊

6.2應用實(shí)例

目前的建筑辦公樓宇暖通系統、給排水系統等設備均大量的采用了變頻控制,除此之外,辦公樓宇不但有大量的辦公照明，而且，還有大量的泛光照明，這些設備的特點(diǎn)使其產(chǎn)生了大量的諧波。受到諧波污染的供配電網(wǎng)存在著(zhù)嚴重的安全隱患，如:變壓器過(guò)熱、中心線(xiàn)過(guò)載設備異常跳閘、自控系統絮亂、電腦設備死機等等。針對上述情況，我們對大樓內的變頻冷凍機進(jìn)行諧波治理，以下為治理前后的數值對比:

1)波器運行前后的對比情況:

設備運行，濾波器停止

設備運行，濾波器運行

2)測試數據及分析(數據見(jiàn)后附頁(yè))

從上面量測數據看以看出來(lái)，在安裝了有源濾波器

后，在電能質(zhì)量改善方面產(chǎn)生了較為明顯的效果:總諧波電流畸變率(ITHD)從原先的77%，下降到了11%左右;其中5次諧波電流從原先的近20%，下降到了1.5%左右;7次諧波電流從原先的12%，下降到了1.4%左右;功率因數、電壓有效值均得到了提高。

7.安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時(shí)間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無(wú)功，可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級。

7.2型號說(shuō)明

7.3尺寸說(shuō)明

7.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

8.結束語(yǔ)

本文從諧波的概念、產(chǎn)生、危害等以及在建筑樓宇的應用，作了較為詳盡的闡述，目的在于喚起大家對于諧波所造成的危害的重視，在現今能源短缺的時(shí)代，同時(shí)在國家大力提倡節能減排的今天，更應該重視諧波所帶給我們的危害，從而從根本上得到有效的治理。

參考文獻

[1]高翔.建筑辦公樓宇中有源濾波器的應用[J].安裝,2013(03):52-55.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

魏健輝，女,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。