智能建筑諧波問題研究與治理

文│ 江蘇建筑職業技術學院 侯文寶 李德路江蘇省水利勘測設計研究院 王春明

1 引言

近年來，隨著我國經濟與技術的發展，智能化的寫字樓、商用和民用大廈等建筑已成為當今建筑發展的潮流。智能建筑物內傳統線性的照明負荷和其他線性負荷所占比重逐年減少，電力電子設備、開關電源、變頻設備、電子鎮流器等非線性設備的使用量日趨增多，使得其配電系統中的諧波問題日趨嚴重。根據日本國內的一項調查研究數據[1]顯示，電網的諧波約有40%來自于建筑用電系統。建筑配電系統產生的諧波已然成為城市公共電網的主要諧波污染源。因此，對智能建筑配電系統中諧波問題的研究和治理越來越受到人們的重視。

2 智能建筑用電負荷特征和諧波產生原因

2.1 用電負荷特征

（1）單相設備多，其用電負荷約占總容量的70%，采用單相供電造成三相配電負荷不平衡，中性點偏移。

（2）絕大多數用電設備為非線性負荷。其中大量使用的開關式電源、計算機、打印機、復印機、電視機、升降機、節能燈具、UPS 等是智能建筑配電系統中主要的諧波源和波動源[2]。這些設備大多容量較小，但是數量很多，整體對電能質量的影響很大，不容忽視。

（3）智能建筑中的非線性負荷的諧波含有率高，有研究表明[3]：計算機、彩色電視機、變頻空調、變頻冰箱、音響的諧波畸變率分別高達129%、79%、46%、97%、68%。

（4）大多數用電設備如樓宇智能化設備、通信設備、辦公自動化設備等對供電質量要求高，特別是對諧波比較敏感。

2.2 諧波產生原因

智能建筑中諧波主要來自于兩方面，一是大量非線性負荷形成的諧波源，導致配電系統的電壓、電流發生畸變，產生諧波；二是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產生的諧波，由網側傳輸至配電系統。

3 諧波的主要危害[4]

（1）諧波電流過大，會使電力變壓器、電力電容器及各種家用電器附加損耗增大，導致絕緣過熱，老化加快，影響設備壽命，嚴重時將燒損設備。變壓器流過諧波電流時，在變壓器繞組、鐵芯、變壓器箱體中引起額外的損耗，其中繞組中損耗最大，使外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，并有可能引起局部的嚴重過熱，噪聲增大。

（2）諧波（特別是3次及3的整數倍諧波）電流過大，將導致三相四線制低壓供電系統中通過中性線的電流大增，使負載中性點與電源中性點之間出現電位差。中性點位移導致三相電壓嚴重不對稱，接在某兩相上的負載由于電壓升高而燒損，另一相上的負載又由于電壓過低不能正常工作。如果因為電流過大，將中性線燒斷，則負載中性點位移更嚴重，三相電壓不平衡度更大。

（3）諧波過大可能引起電力系統的保護裝置誤動作，造成大面積停電。

（4）諧波過大還會給通信設備、無線電收發、計算機的正常運行帶來干擾，使其動作不靈或出現錯誤。

（5）諧波過大，使電能計量儀表產生更大的誤差。因為高頻電流將在金屬部件上產生渦流，影響電度表的驅動力矩、制動力矩及相位角，使電度表計量不準。

4 諧波治理

綜上所述，建筑物配電系統諧波問題是不容忽視的，在建筑電氣設計中和后期電氣系統的管理中，進行諧波治理的方式主要有以下幾種，分別介紹。

4.1 消除諧波源

從源頭上消除諧波是最有效的辦法。國家已經頒布了各類電氣設備的限值標準，但在實際應用中執行情況并不理想，不少生產廠家和用戶對此重視不夠，即使能夠提供諧波檢測報告，也與實際應用的產品存在一定差異。但是經過經濟技術發展，大量高功率因數字設備已經研發出來并得到推廣，大大減少了供電系統中的諧波含量。

4.2 采用Dyn型配電變壓器[5]

在Dyn聯結組變壓器中，3n次諧波勵磁電流在其接線的一次繞組內形成環流，不注入到公共的高壓電網中去，較一次繞組Y 接線的Yyn聯結組變壓器更有利于抑制諧波。這種措施可以阻斷3n次諧波的上傳路徑，對公共電網的益處很大，從而促使Dyn聯結組變壓器成為低壓配電變壓器中的絕對主流，但它對低壓側的諧波并沒有抑制作用，低壓側諧波需另行解決。

4.3 裝設諧波濾波器

（1）無源濾波器

無源濾波器利用電容、電抗、電阻元件構成諧波電流濾波器，也叫LC濾波器。在諧波頻率下，為低阻抗回路以吸收諧波，在基波頻率下，提供無功電流以改善功率因數。無源濾波器用于諧波電流和無功負荷比較穩定，自然功率因數又較低，頻譜特征明顯，諧波集中于連續的三種或間隔相同（如3、5、7 次）的系統中的諧波治理。由于價格低廉，這種方式至今還在大量應用。

（2）有源濾波器[6]

有源濾波器是通過逆變器產生一個與系統中各次諧波大小相等、相位相反的諧波電流注入電網中，以達到消除諧波的目的。但其也存在不足，首先，有源電力濾波器雖然諧波抑制和無功補償性能出色，但受電力電子元件的影響，有效容量較低；其次，它造價昂貴，且價格隨容量以平方倍增加，這就為有源電力濾波器的推廣設下了巨大的障礙。

（3）混合型濾波器

混合型濾波器結合了無源濾波器和有源濾波器的優點。混合型濾波器通常是將系統中諧波電流大的恒定部分由無源濾波器過濾，而其小諧波電流及波動部分由有源濾波器處理，以節約總體造價。

（4）用戶側諧波保護器

可以隨時跟蹤電壓波形，瞬時濾除電源中的尖峰、浪涌雜波，矯正因諧波影響而產生畸變的電壓波形，對噪聲進行消化并把被吸收的噪聲能量部分返回到電網中，以矯正電網波形。其體積小可導軌安裝，可用于電話、網絡機房、有精密儀器、對諧波敏感的場所。

5 結束語

綜上所述，智能建筑中的諧波帶來嚴重的危害和不良的影響，而針對諧波治理的新技術、新產品也在不斷涌現。諧波的復雜性、多樣性、可變性，決定了諧波治理還會在相當長的時間里成為人們探索研究的一項重要課題。抑制諧波已成為供配電系統設計中一項不可缺少的重要內容，需要不斷地摸索規律、總結經驗，最終的目的是針對不同的工程，選用適合的治理方法，安裝在合理的位置，將諧波的影響控制在最小的范圍內。

1 A.Gole，L.Palav.Modeling of custom power in devices PSCAD/ EM T DC.Central J，1998

2 陳龍. 智能小區及智能大樓的系統設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2001

3 李令冬，張昊，等.城市樓宇供電系統中的電能質量問題[A].2002

4 王兆安，楊君，劉建軍.諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業出版社.1998

5 歐陽明. Dyn11配電變壓器的經濟性能分析[J].變壓器，2002（06）

6 李德路，李姍姍，侯文寶，等.基于三維空間矢量脈沖寬度調制的三相四線制有源電力濾波器[J].低壓電器，2011（12）