淺談有源濾波器在建築辦公樓宇配電係統中的應用與選型

摘要：本文通過對諧波概念及其危害的分析，對諧波源的分類描述，指明了諧波對於(yu) 現代建築整個(ge) 供配電係統的嚴(yan) 重危害，從(cong) 而引出抑製諧波的重要性、緊迫性，並提供了幾種措施，其中，又通過具體(ti) 實例的分析詳細闡述了有源濾波器在抑製濾波中的應用及其工作原理，並說明了采取該措施之後所取得的效果。

關(guan) 鍵詞：諧波、危害、措施、有源濾波器

1.引言

近年來，隨著現代化的進程的不斷深入，以及國家對於(yu) 節能減排的倡導，建築行業(ye) 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，然而這些非線性負荷的大量使用，並且功率越來越大，導致了供配電電能質量的嚴(yan) 重降低。這些非線性設備所產(chan) 生的大量的多次諧波，與(yu) 供配電網絡中的係統容抗和係統阻抗在一定的參數條件下，會(hui) 形成串聯或並聯諧振，從(cong) 而會(hui) 導致係統中的設備損壞。諧波對於(yu) 整個(ge) 供配電係統的危害已經引起了人們(men) 的廣泛重視，抑製諧波，提高供配電係統的電能質量已經刻不容緩。

2.諧波的概念

“諧波"一詞起源於(yu) 聲學。有關(guan) 諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎，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(wei) 基波的整數倍的電量，一般是指對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與(yu) 電網基波頻率相同的分量，還得到一係列大於(yu) 電網基波頻率的分量，這部分電量稱為(wei) 諧波諧波頻率與(yu) 基波頻率的比值(n=fn/f1)為(wei) 諧波次數電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為(wei) 非諧波(Non-harmonics)或分數波。諧波實際上是一種幹擾量，使電網受到“汙染"。諧波是衡量電能質量的關(guan) 鍵指標之，是電能質量技術監督的重要內(nei) 容，其汙染程度的大小直接關(guan) 係電能質量的優(you) 劣。

3.諧波源

諧波通常是由非線性供電設備所產(chan) 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，也產(chan) 生諧波電流及諧波功率。對於(yu) 目前的建築辦公樓宇*常見的諧波源如下。

3.1變壓器產(chan) 生諧波

電力變壓器產(chan) 生諧波主要由於(yu) 變壓器鐵芯材料具有非線性磁化曲線引起的，變壓器的鐵芯磁化曲線除了一般線性區以外，還有飽和區、死區和滯後區這三類典型的非線性區，它以原點對稱，在正弦波作用下，勵磁電流為(wei) 對稱奇函數。目前在設計變壓器時考慮其經濟性，所以，其工作磁密選擇均在磁化曲線的近飽和段上，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(ce) 接線方式(△或Y)的影響，諧波的大小與(yu) 磁路的結構形式、鐵芯的飽和程度等有關(guan) 。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性工作區越遠，產(chan) 生的諧波電流就越大。

3.2變頻器產(chan) 生諧波

隨著變頻器產(chan) 業(ye) 的飛速發展，以及人們(men) 節能環保意思的加強，變頻裝置已經越來越普遍的被用於(yu) 風機、水泵、空調等設備中。我們(men) 目前常用的變頻器的主電路拓撲一般為(wei) 交直流型，即將工頻的交流電源變為(wei) 直流電源，再將直流電源變為(wei) 控製交流電機所需要的頻率和電壓，此種變換形式的低壓變頻器，所產(chan) 生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。有資料顯示，此類設備所產(chan) 生的諧波分量有時可高達基波分量的50%~60%，由於(yu) 變頻設備功率大，數量多，因此對整個(ge) 供配電係統的影響也就很大。

3.3電子鎮流器產(chan) 生諧波

目前建築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，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(ge) 將工頻交流電源轉換成高頻交流電源的變換器，此類設備所產(chan) 生的諧波分量均為(wei) 奇次諧波，有資料顯示，電子鎮流器所產(chan) 生的諧波分量有時可高達基波分量的25%。照明設備數量巨大，因此，對於(yu) 供配電係統的影響也是很大的。

4.諧波的危害

目前由於(yu) 產(chan) 生諧波的設備量大麵廣，諧波使建築樓宇的供配電係統麵臨(lin) 著嚴(yan) 重的幹擾與(yu) 破化，諧波的危害主要有如下幾點:

4.1電力變壓器

鐵芯磁感應環流增加，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間電容之間的共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，嚴(yan) 重時可造成變壓器燈的燒毀。

4.2電力電纜

由於(yu) 諧波頻率較高，集膚效應和鄰近效應就越大，發熱損耗增加，加速絕緣老化，影響壽命。況且，3次諧波會(hui) 在中性線疊加，以3倍於(yu) 相線的電流通過中性線，使中性線電流大大超過其安全電流值造成過負荷，這種狀態下就有可能造成導線過熱引起線路周圍可燃裝修材料起火或中性線熔斷，造成各相電壓不平衡，燒壞線路中接入的電器設備進而引發火災。

4.3電動機

對於(yu) 經常啟動的電動機，大的會(hui) 引起電動機發熱，導致電動機的額外溫升；另外，當電動機中的諧波電流，與(yu) 某零件的固有頻率接近時，還會(hui) 使電動機產(chan) 生機械振動，發出很大的噪聲。

4.4電力電容器組

用電係統中為(wei) 了提高功率因數一般都加電力電容器組，而諧波會(hui) 加速電容器的老化使電容器的損耗係數增大，附加損耗增加，從(cong) 而容易放生故障和縮短電容器的壽命。當電容器與(yu) 線路阻抗達到共振條件時，會(hui) 放大諧波電流，使電容器及熔斷器因過熱、過電流、過電壓等而不能正常運行甚至燒毀。

4.5開關(guan) 和繼電設備

諧波電流會(hui) 引起開關(guan) 之額外損失，並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(hui) 降低其使用壽命。諧波電流還會(hui) 使繼電保護設備產(chan) 生額外的轉矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作，低壓斷路器之固態跳脫裝置，係根據電流峰值來動作，而此種型式之跳脫裝置會(hui) 因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘。

4.6計量儀(yi) 表、照明、通信等設備

電能測量儀(yi) 表因諧波會(hui) 造成感應轉盤產(chan) 生額外的電磁轉矩，引起誤差降低精確度；諧波電流會(hui) 引起照明閃爍，使人易視覺疲勞，降低工作效率，對於(yu) 通信等設備會(hui) 通過電磁感應、靜電感應與(yu) 傳(chuan) 到等方式耦合到係統中，從(cong) 而對設備產(chan) 生幹擾而影響其正常的工作或減少使用壽命。

5.抑製諧波的措施

為(wei) 了控製諧波的泛濫，淨化供配電係統的波形，提高供配電係統的電能質量和效率，國家標準GB/T14549-93《電能質量-公用電網諧波》。該標準規定了公用電網諧波電壓限值(表1)、諧波電流值(表2)。

5.1增加變流裝置的整流相數

在裝置裏作出結構上的改動，包括把一些敏感的設備接與(yu) 電網的清潔部分，另外，也可選用十二脈衝(chong) 驅動器代替六脈衝(chong) 驅動器。

5.2設置無源濾波器

當諧波水平較高時，使用諧波濾波器，傳(chuan) 統上會(hui) 采用無源濾波器，但同時它也帶出一些問題。無源濾波器是由一組串聯的電抗器、電容器，有時還包括電阻器等無源元件組成，由於(yu) 無源濾波器在諧振頻率下的阻抗會(hui) 很小，所以相應的諧波電流，不論大小都會(hui) 通過該電路，因此無源濾波器容易過載，在過載時，機器會(hui) 關(guan) 掉或被破壞。過載的原因可能是一些在供電係統裏不能預知的諧波源(例如:新增的驅動裝置等等)無源濾波器的濾波程度取決(jue) 於(yu) 其阻抗與(yu) 電網中其他阻抗的關(guan) 係，因此，濾波程度很難控製，除此之外，隨著時間的推移，元器件的老化或配電係統內(nei) 設備的變化，都會(hui) 改變諧振頻率，*後過濾效果會(hui) 大大下降。此外，*關(guan) 鍵的是無源濾波器隻可以過濾一種諧波成份如果過濾不同的諧波，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)是近年來發展迅速的新技術，APF是利用可控的功率半導體(ti) 器件，采用了實時檢測的閉環運行方式，向電網注人與(yu) 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(wei) 零，有源濾波器能動態地抑製諧波電流並能實時補償(chang) (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的方式不同，可分為(wei) 電壓源型和電流源型串聯型和並聯型。實際運用中，可以根據供配電係統的實際情況來選用適用的型式。有源濾波器的顯著優(you) 點使之成為(wei) 未來諧波補償(chang) 的發展方向，它將取代傳(chuan) 統的無源濾波器。

有源濾波器的優(you) 點:不僅(jin) 能補償(chang) 各次諧波，還可抑製閃變，補償(chang) 無功;濾波特性不受係統阻抗等的影響可消除與(yu) 係統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能可自動跟蹤補償(chang) 變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。

6.有源濾波器在辦公樓宇中的應用實例

6.1有源濾波器的工作原理

有源濾波器與(yu) 無源濾波器的工作原理是不同有源濾波器是通過電流互感器檢測負載電流，並通過內(nei) 部DSP計算，提取出負截電流中的諧波成分，然後通過PWM信號發送給內(nei) 部IGBT控製逆變器產(chan) 生一個(ge) 與(yu) 負載諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到電網中，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(chang) 它由以下幾個(ge) 部分組成:

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

一個(ge) 電磁接觸器模塊用於(yu) 平穩啟動。用來幫助減少當直流電容器充電時的湧入電流的幅值。

一個(ge) 高頻的電感電容器模塊。作為(wei) 電力整流器和電力係統之間的電能傳(chuan) 送接口單元。

一個(ge) IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體(ti) 管)電力整流器模塊。用於(yu) 轉換電力係統中的諧波能量和產(chan) 生與(yu) 電網中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網。這樣就能將電網中的諧波抵消掉。

一個(ge) 直流電容器模塊，用來存儲(chu) 從(cong) 電力係統中得到的能量，然後將這些能量提供給IGBT整流器去產(chan) 生與(yu) 電網中諧波成份大小相等、方向相反的補償(chang) 諧波電流。

1)開關(guan)

2)快熔斷保險絲(si)

3)脈動電流濾波器模塊

4)平穩啟動電磁接觸器模塊

5)高頻電感電容模

6)IGBT電力流塊

7)直流電容模塊

6.2應用實例

目前的建築辦公樓宇暖通係統、給排水係統等設備均大量的采用了變頻控製,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，這些設備的特點使其產(chan) 生了大量的諧波。受到諧波汙染的供配電網存在著嚴(yan) 重的安全隱患，如:變壓器過熱、中心線過載設備異常跳閘、自控係統絮亂(luan) 、電腦設備死機等等。針對上述情況，我們(men) 對大樓內(nei) 的變頻冷凍機進行諧波治理，以下為(wei) 治理前後的數值對比:

1)波器運行前後的對比情況:

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(數據見後附頁)

從(cong) 上麵量測數據看以看出來，在安裝了有源濾波器

後，在電能質量改善方麵產(chan) 生了較為(wei) 明顯的效果:總諧波電流畸變率(ITHD)從(cong) 原先的77%，下降到了11%左右;其中5次諧波電流從(cong) 原先的近20%，下降到了1.5%左右;7次諧波電流從(cong) 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(chan) 品選型

7.1產(chan) 品特點

(1)DSP+FPGA控製方式，響應時間短，全數字控製算法，運行穩定；

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

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體(ti) 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現參數設置和控製，使用方便，易於(yu) 操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力係統的影響；

(7)多機並聯，達到較高的電流輸出等級。

7.2型號說明

7.3尺寸說明

7.4產(chan) 品實物展示

ANAPF有源濾波器

8.結束語

本文從(cong) 諧波的概念、產(chan) 生、危害等以及在建築樓宇的應用，作了較為(wei) 詳盡的闡述，目的在於(yu) 喚起大家對於(yu) 諧波所造成的危害的重視，在現今能源短缺的時代，同時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(men) 的危害，從(cong) 而從(cong) 根本上得到有效的治理。

安科瑞侯文莉