現代建筑電氣設計中電源諧波問題的研究

摘要：諧波是如何產生，為什么諧波的出現會影響電力系統和設備的正常運行，以及如何將這些影響減少到最小。這是擺在電氣工程研究、設計人員面前的一道難題，解決這一難題對各行各業包括建筑電氣設計具有非常深遠的歷史意義。

關鍵字：電力系統 諧波污染 諧波抑制

1 前言

國際上公認的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。波形畸變是指交流電力系統中電壓或電流波形偏離正弦波。一個具有非正弦波形的周期變量可以用一組正弦變量及恒定分量之和來表示。頻率(或周期)與原波形的頻率(或周期)相同的分量稱為基波，其余頻率為基波整數倍的分量為諧波。諧波頻率和基波頻率的比值稱為諧波的次數。本文所討論的非正弦畸變波形應該是周期性重復而且持續一段時間的過程，所以諧波是屬于穩態范疇的概念。

2 現代建筑電氣設計中電源諧波研究的重要意義

無論是智能化辦公大樓、高級公寓，還是普通住宅小區，除了特殊情況外，每個用戶的電力來源都是公用電網。一方面，公用電網中諧波電流和諧渡電壓的出現，會造成供電質量下降，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。另一方面，工業和民用建筑中的電力電子設備如整流、逆變、交流調壓、變頻等；家用電器如日光燈、電視機、調速風扇、空調、電冰箱等；高新技術應用的多種設備如電子計算機、敏感電子器件，功調器、激光切割設備等的廣泛應用，又產生大量諧波對公用電網產生污染。

諧波對電網的危害除造成線路損耗外，諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴重事故。例如，在民用建筑中，常常大量使用熒光燈和其他產生大量3次諧波的燈具、計算機及各種電器，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，因而設計時中性線的導線較細。在大量3次諧波電流流過中性線時，就會使導線過載過熱、絕緣損壞，進而發生短路，引起火災。我國已發生多起由于這一原因而引起的重大火災，造成慘痛損失，因此我們對電源諧波必須引起足夠的重視。

3 現代建筑諧波的來源

3.1 低壓電器的諧波

由低壓電網供給電源的各種電器設備，在現代建筑中的辦公樓、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，也會有諧波電流產生，如電視機、各種節能燈、電冰箱、洗衣機、微波爐、計算機、空調用壓縮機、高層建筑用的大型電梯等，都帶有小功率的整流裝置，有的電器帶有小容量變壓器，其勵磁電流所占比例較大，雖然其單個容量小，數十瓦到數千瓦，但數量較多且分布很廣，它們產生的高次諧波也會對電力系統造成影響，加重電力網的諧波污染。

3.2 電力電子變流裝置的諧波

隨著科技的發展和辦公、家用電器的普及，各種電力電子裝置進入了電力系統，這些大大小小的諧波源都給電力系統造成了諧波污染。由于諧波的含量取決于裝置本身的特性和工作狀況，基本上與電力系統的參數無關，因此可看作諧波恒流源。而實際上，由于電力系統，尤其是低壓配電網的容量有限，諧波電流注入電力系統后，在系統內阻上造成的諧波壓降，使電力系統中各點電壓產生畸變。

相控晶閘管整流設備和UPS的前級都是通過調節晶閘管每周期導通相位角的大小來調節輸出直流電壓的。正常工作時從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網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重。經統計表明，由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40％。

4 建筑電氣設計中諧波抑制的方法

現在的諧波抑制方法的研究主要是從兩個方面考慮，一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這通常適用于中小功率裝置或系統中比較集中的主要諧波源的電力電子裝置。各種電力電子裝置和非線性負載的普遍使用，引起諧波電力和無功電流大量注入電網，嚴重威脅電網的安全運行和電氣設備的正常使用，對諧波進行濾波和補償已成為電力電子技術、電力系統、電氣自動化、理論電工等領域中的重要研究課題。目前，國內外大量使用無源濾波裝置來解決這一問題，但存在許多不足和缺陷。如無源濾波器的設計大多針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網發生諧振的可能性，并且對電網阻抗和頻率變化十分敏感；體積大、損耗大等等。為解決這一問題，人們做了許多研究與探討，其中具有代表意義的為有源電力濾波器。從目前國外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進行諧波和無功補償是今后抑制諧波產生的一個發展趨勢。

4.1采用LC組成的無源調諧濾波器

以前傳統的諧波補償辦法主要是采用LC組成的無源調諧濾波器，由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。它利用電容、電感在諧波頻率時發生諧振，提供諧波入地的低阻通路，使諧波導人大地脫離電網。

它工作在基波時呈容性，能夠同時補償電網中感性無功功率，具有結構簡單、技術成熟、前期投資少、功率容量大、運行可靠性高、運行費用低等優點，一直被廣泛使用。但它缺點也較多：受電網阻抗和運行狀態影響大，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，甚至過載燒毀；它也只能補償固定頻率的諧波，當所需補償諧波較多時需裝置多組濾波器，既增加了成本也降低了可靠性當電網容量大，阻抗小時為保證補償效果需要濾波器有很高的品質因數；而當基波頻率有波動時，濾波器補償效果不理想。

4.2有源電力濾波器

有源濾波器是20世紀80年代以來逐漸興起的諧波抑制新方法，目前已成為諧波抑制的一種趨勢。有源電力濾波器也是電力電子裝置，原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個大小相同極性相反的諧波電流，從而達到補償諧波的效果。使電網電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視。

與無源濾波器相比，有源濾波器有以下優點：

(1)為高次諧波電流源，不受系統阻抗的影響。

(2)沒有共振現象，系統結構的變化不會影響補償效果。

(3)原理上比LC濾波器更為優越，用一臺裝置就能完成各次諧波的補償。

(4)即使高次諧波的頻率發生變化，也能完全補償。

(5)由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使高次諧波量增大也不會過載。

目前有源電力濾波器在日本和西方國家已經得到廣泛的應用，在這些國家的諧波治理中發揮著至關重要的作用。

5 結語

信息技術的發展，使基于微處理器控制設備得到迅速普及和發展。未來不少用戶對電能的利用都要經過電力電子裝置的轉換和控制。因此現代智能建筑電氣設計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，對提高公用電網的電能質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，諧波問題是優化設計所要解決的技術參數之一。

對于現有供電網絡或待建電網中的電力污染情況，要進行仔細分析，通常解決的方法有兩個：一是局部重建電網結構，分離或隔離產生電力污染的設備；二是使用電源凈化濾波設備進行治理，通常電壓諧波是由電流諧波產生的，有效地抑制電流諧波就會使電壓畸變達到要求的范圍。國內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和節能的雙重效果。

參考文獻：

[1]戴瑜興．智能建筑諧波和無功功率的綜合治理[M]電工技術雜志，2009，(12)：31－33

[2]王兆安，諧波抑制和無功功率補償[M]，北京：機械工業出版社，2009：23－25