建筑電氣設(shè)計(jì)中電源諧波分析

摘要：本文研究了建筑電氣設(shè)計(jì)中電源諧波問題，首先，分析了諧波的存在和危害性；其次較全面地分析了諧波的來源以及現(xiàn)有的改善手段，最后對(duì)諧波治理的發(fā)展趨勢(shì)提出了看法。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)諧波污染；諧波抑制

諧波對(duì)電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴(yán)重事故。例如，在民用建筑中，常常大量使用熒光燈和其他產(chǎn)生大量3次諧波的燈具、計(jì)算機(jī)及各種電器，這些3次諧波都從中性線流過，甚至使其電流超過各相電流。因正常情況下中性線電流比各相電流小得多，因而設(shè)計(jì)時(shí)中性線的導(dǎo)線較細(xì)。在大量3次諧波電流流過中性線時(shí)，就會(huì)使導(dǎo)線過載過熱、絕緣損壞，進(jìn)而發(fā)生短路，引起火災(zāi)。我國(guó)已發(fā)生多起由于這一原因而引起的重大火災(zāi)，造成慘痛損失，必須引起足夠的重視。

1 電源諧波的來源

1)發(fā)電機(jī)的諧波

同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)是由于轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場(chǎng)非正弦分布所引起的。發(fā)電機(jī)每對(duì)磁場(chǎng)下氣隙中的磁場(chǎng)不可能完全按正弦分布，發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)非嚴(yán)格正弦波，含有一定諧波成分，而這是由磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)所決定的。因此發(fā)電機(jī)的輸出電壓本身就含有一定的諧波，其諧波電壓的幅值和頻率取決于發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。根據(jù)IEC的規(guī)定，發(fā)電機(jī)端電壓的波形畸變率不得大于5％。因此通?？梢哉J(rèn)為發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)是正弦波形而忽略其諧波分量。

2)變壓器的諧波

該諧波主要是磁路非線性引起的。變壓器的勵(lì)磁回路具有非線性電感，因此勵(lì)磁電流是非正弦波形。由于磁路的非線性，要產(chǎn)生正弦波磁通。勵(lì)磁電流應(yīng)為尖頂波，若勵(lì)磁電流為正弦波，磁通將為平頂波，無論尖頂渡還是平頂波，它們中都含有全部的奇次諧波，其中以3次諧波含量最大。若勵(lì)磁電流為尖頂波，則作為受電端的變壓器原邊，其電流含有諧波。若磁通為尖頂波，那么副邊相電壓將為非正弦波，輸出電壓就含有諧波成份。

3)電力電子變流裝置的諧波

隨著科技的發(fā)展和辦公、家用電器的普及，各種電力電子裝置進(jìn)入了電力系統(tǒng)，這些大大小小的諧波源都給電力系統(tǒng)造成了諧波污染。由于諧波的含量取決于裝置本身的特性和工作狀況，基本上與電力系統(tǒng)的參數(shù)無關(guān)，因此可看作諧波恒流源。而實(shí)際上，由于電力系統(tǒng)，尤其是低壓配電網(wǎng)的容量有限，諧波電流注入電力系統(tǒng)后，在系統(tǒng)內(nèi)阻上造成的諧波壓降，使電力系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓產(chǎn)生畸變。相控晶閘管整流設(shè)備和UPS的前級(jí)都是通過調(diào)節(jié)晶閘管每周期導(dǎo)通相位角的大小來調(diào)節(jié)輸出直流電壓的。正常工作時(shí)從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，移相角越大正弦波缺失越嚴(yán)重。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40％。

4)低壓電器的諧波

由低壓電網(wǎng)供給電源的各種電器設(shè)備，在現(xiàn)代建筑中的辦公樓、商住樓、住宅公寓中廣泛使用。在這些低壓電器中，有不少含有非線性元件，也會(huì)有諧波電流產(chǎn)生，如電視機(jī)、各種節(jié)能燈、電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、電磁爐、計(jì)算機(jī)、激光打印機(jī)、充電器，各種醫(yī)療和科研用的儀器和設(shè)備、調(diào)速驅(qū)動(dòng)(例如空調(diào)用壓縮機(jī)、高層建筑用的大型電梯)等，都帶有小功率的整流裝置，有的電器帶小容量變壓器，其勵(lì)磁電流所占比例較大，雖然其單個(gè)容量小，數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，但數(shù)量較多且分布很廣，它們產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成影響，加重電力網(wǎng)的諧波污染。

因此現(xiàn)代智能建筑電氣設(shè)計(jì)中必須很慎重地考慮諧波以及它的不良影響，綜合治理好智能建筑的諧波和無功功率，對(duì)提高公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及提高智能建筑的功能和效益等方面有十分重要的意義，諧波問題是優(yōu)化設(shè)計(jì)所要解決的技術(shù)參數(shù)之一。

2 電源諧波的抑制

對(duì)于現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)或待建電網(wǎng)中的電力污染情況，要進(jìn)行仔細(xì)分析，通常解決的方法有兩個(gè)：一是局部重建電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分離或隔離產(chǎn)生電力污染的設(shè)備，二是使用電源凈化濾波設(shè)備進(jìn)行治理，通常電壓諧波是由電流諧波產(chǎn)生的，有效地抑制電流諧波就會(huì)使電壓畸變達(dá)到要求的范圍。國(guó)內(nèi)外很多單位已開始重視電源污染的治理，投資安裝電源凈化濾波裝置，取得了提高電源品質(zhì)和節(jié)能的雙重效果。實(shí)際上，智能建筑中，除了消防泵和噴淋泵外，一般很少有大容量的沖擊負(fù)荷。智能建筑諧波和無功綜合治理方法是從用戶，配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)三個(gè)層面統(tǒng)一規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)地處理。對(duì)于容量大的諧波源應(yīng)就近安裝濾波器；而對(duì)容量不大的諧波源可在系統(tǒng)母線上集中濾波；對(duì)于諧波限制不嚴(yán)格的用戶，使用無源濾波器治理諧波；對(duì)于諧波限制嚴(yán)格的用戶，應(yīng)使用有源濾波器或?qū)o源濾波器和有源濾波器結(jié)合起來使用。從具體的工程實(shí)例分析看來，從諧波的測(cè)量、計(jì)算、產(chǎn)品的選型及使用前后所測(cè)的波形圖和數(shù)據(jù)看來，有源濾波器已很好地達(dá)到抑制諧波的效果，現(xiàn)階段有源濾波器的應(yīng)用已經(jīng)較為成功的工程實(shí)例。

有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的不足，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置，有源電力濾波器容量與其他三相交流電力設(shè)備的容量定義相同。有源電力濾波器中最基本的是并聯(lián)型，其容量取決于與裝置連接的交流回路電壓有效值與補(bǔ)償電流有效值的乘積。并聯(lián)型有源電力濾波器與諧波源負(fù)載所接的交流電壓相同，因此裝置的容量主要由補(bǔ)償電流決定，而補(bǔ)償電流的大小和裝置的補(bǔ)償目的有關(guān)，即有源電力濾波器僅僅是只補(bǔ)償諧波還是要同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功。只補(bǔ)償諧波時(shí)，有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流的諧波分量大小相等而方向相反，兩者的有效值是一樣的，這種情況下，裝置的容量取決于負(fù)載電流中諧波的大小。如果要求有源電力濾波器同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功，則裝置容量由補(bǔ)償對(duì)象中諧波組成及要求補(bǔ)償無功的程度共同決定。

3 發(fā)展趨勢(shì)

有源濾波器必將成為一種趨勢(shì)，它能動(dòng)態(tài)地檢測(cè)、輸出反相的諧波和不均衡的基波分量，以滿足電網(wǎng)的規(guī)定限值和負(fù)載對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求，而且國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者都在進(jìn)行有源濾波器的研究和探討，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法、控制系統(tǒng)等，我想不久的將來各種濾波器的技術(shù)會(huì)更加成熟，成本也會(huì)降低，應(yīng)用必將更加廣泛，電網(wǎng)質(zhì)量得到改善，走上良性循環(huán)軌道。

就全球范圍而言，從80年代末開始電力放松管制，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，開放電力市場(chǎng)成為世界潮流。在電力市場(chǎng)條件下，用戶與供電企業(yè)都在追求自己的最大利益。為了適應(yīng)這種需求，1988年美國(guó)的N.G.Hingorani博士提出了Custom Power Technology(用戶電力技術(shù))這一解決諧波及無功功率的新概念，這是一種應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)提高供電可靠性和實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量嚴(yán)格控制，用戶電力技術(shù)是將現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等高新技術(shù)結(jié)合，按用戶特定要求提供電力供應(yīng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量控制的技術(shù)，將它應(yīng)用于中、低壓配電系統(tǒng)，能有效地抑制諧波，補(bǔ)償無功功率，消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓不對(duì)稱，從而提高供電的安全性和可靠性。