智能建筑諧波問題研究與治理

文│ 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 侯文寶 李德路江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院 王春明

1 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，智能化的寫字樓、商用和民用大廈等建筑已成為當(dāng)今建筑發(fā)展的潮流。智能建筑物內(nèi)傳統(tǒng)線性的照明負(fù)荷和其他線性負(fù)荷所占比重逐年減少，電力電子設(shè)備、開關(guān)電源、變頻設(shè)備、電子鎮(zhèn)流器等非線性設(shè)備的使用量日趨增多，使得其配電系統(tǒng)中的諧波問題日趨嚴(yán)重。根據(jù)日本國內(nèi)的一項(xiàng)調(diào)查研究數(shù)據(jù)[1]顯示，電網(wǎng)的諧波約有40%來自于建筑用電系統(tǒng)。建筑配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波已然成為城市公共電網(wǎng)的主要諧波污染源。因此，對智能建筑配電系統(tǒng)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(fù)荷特征和諧波產(chǎn)生原因

2.1 用電負(fù)荷特征

（1）單相設(shè)備多，其用電負(fù)荷約占總?cè)萘康?0%，采用單相供電造成三相配電負(fù)荷不平衡，中性點(diǎn)偏移。

（2）絕大多數(shù)用電設(shè)備為非線性負(fù)荷。其中大量使用的開關(guān)式電源、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、電視機(jī)、升降機(jī)、節(jié)能燈具、UPS 等是智能建筑配電系統(tǒng)中主要的諧波源和波動(dòng)源[2]。這些設(shè)備大多容量較小，但是數(shù)量很多，整體對電能質(zhì)量的影響很大，不容忽視。

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

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

2.2 諧波產(chǎn)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(fù)荷形成的諧波源，導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波；二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波，由網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。

3 諧波的主要危害[4]

（1）諧波電流過大，會(huì)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(dǎo)致絕緣過熱，老化加快，影響設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)將燒損設(shè)備。變壓器流過諧波電流時(shí)，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(fā)熱，并有可能引起局部的嚴(yán)重過熱，噪聲增大。

（2）諧波（特別是3次及3的整數(shù)倍諧波）電流過大，將導(dǎo)致三相四線制低壓供電系統(tǒng)中通過中性線的電流大增，使負(fù)載中性點(diǎn)與電源中性點(diǎn)之間出現(xiàn)電位差。中性點(diǎn)位移導(dǎo)致三相電壓嚴(yán)重不對稱，接在某兩相上的負(fù)載由于電壓升高而燒損，另一相上的負(fù)載又由于電壓過低不能正常工作。如果因?yàn)殡娏鬟^大，將中性線燒斷，則負(fù)載中性點(diǎn)位移更嚴(yán)重，三相電壓不平衡度更大。

（3）諧波過大可能引起電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成大面積停電。

（4）諧波過大還會(huì)給通信設(shè)備、無線電收發(fā)、計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行帶來干擾，使其動(dòng)作不靈或出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（5）諧波過大，使電能計(jì)量儀表產(chǎn)生更大的誤差。因?yàn)楦哳l電流將在金屬部件上產(chǎn)生渦流，影響電度表的驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩及相位角，使電度表計(jì)量不準(zhǔn)。

4 諧波治理

綜上所述，建筑物配電系統(tǒng)諧波問題是不容忽視的，在建筑電氣設(shè)計(jì)中和后期電氣系統(tǒng)的管理中，進(jìn)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(jīng)頒布了各類電氣設(shè)備的限值標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際應(yīng)用中執(zhí)行情況并不理想，不少生產(chǎn)廠家和用戶對此重視不夠，即使能夠提供諧波檢測報(bào)告，也與實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品存在一定差異。但是經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展，大量高功率因數(shù)字設(shè)備已經(jīng)研發(fā)出來并得到推廣，大大減少了供電系統(tǒng)中的諧波含量。

4.2 采用Dyn型配電變壓器[5]

在Dyn聯(lián)結(jié)組變壓器中，3n次諧波勵(lì)磁電流在其接線的一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，不注入到公共的高壓電網(wǎng)中去，較一次繞組Y 接線的Yyn聯(lián)結(jié)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(wǎng)的益處很大，從而促使Dyn聯(lián)結(jié)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(cè)的諧波并沒有抑制作用，低壓側(cè)諧波需另行解決。

4.3 裝設(shè)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(gòu)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(shù)。無源濾波器用于諧波電流和無功負(fù)荷比較穩(wěn)定，自然功率因數(shù)又較低，頻譜特征明顯，諧波集中于連續(xù)的三種或間隔相同（如3、5、7 次）的系統(tǒng)中的諧波治理。由于價(jià)格低廉，這種方式至今還在大量應(yīng)用。

（2）有源濾波器[6]

有源濾波器是通過逆變器產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)中各次諧波大小相等、相位相反的諧波電流注入電網(wǎng)中，以達(dá)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(bǔ)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(jià)昂貴，且價(jià)格隨容量以平方倍增加，這就為有源電力濾波器的推廣設(shè)下了巨大的障礙。

（3）混合型濾波器

混合型濾波器結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)。混合型濾波器通常是將系統(tǒng)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(dòng)部分由有源濾波器處理，以節(jié)約總體造價(jià)。

（4）用戶側(cè)諧波保護(hù)器

可以隨時(shí)跟蹤電壓波形，瞬時(shí)濾除電源中的尖峰、浪涌雜波，矯正因諧波影響而產(chǎn)生畸變的電壓波形，對噪聲進(jìn)行消化并把被吸收的噪聲能量部分返回到電網(wǎng)中，以矯正電網(wǎng)波形。其體積小可導(dǎo)軌安裝，可用于電話、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、有精密儀器、對諧波敏感的場所。

5 結(jié)束語

綜上所述，智能建筑中的諧波帶來嚴(yán)重的危害和不良的影響，而針對諧波治理的新技術(shù)、新產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)。諧波的復(fù)雜性、多樣性、可變性，決定了諧波治理還會(huì)在相當(dāng)長的時(shí)間里成為人們探索研究的一項(xiàng)重要課題。抑制諧波已成為供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)不可缺少的重要內(nèi)容，需要不斷地摸索規(guī)律、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，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(nèi)。

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(qū)及智能大樓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001

3 李令冬，張昊，等.城市樓宇供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題[A].2002

4 王兆安，楊君，劉建軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1998

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

6 李德路，李?yuàn)檴櫍钗膶殻?基于三維空間矢量脈沖寬度調(diào)制的三相四線制有源電力濾波器[J].低壓電器，2011（12）