有源濾波器在劇場中的應用——解析青島大劇院舞臺可控硅調光系統的諧波抑制

潘云輝，宿向民

（1.珠海市視廣工程技術咨詢有限公司，廣東 珠海 519000；2.青島大劇院，山東 青島 266101）

幾十年來，可控硅調光裝置在我國劇院、電視演播室舞臺燈光系統中使用極為普遍，其價格低廉、操作性能穩定，是演藝行業燈光工作者最熟悉的工具之一，但它同時又是舞臺電氣設備中最麻煩的諧波源。由諧波所引發的配電網電能波形畸變，在很大程度上影響了電氣設備的正常運轉，諧波造成電力設備損壞的事件也頻頻發生。為此，業界專業技術人員孜孜不倦地研究，希望探索出抑制或消除諧波的行之有效的辦法，以保障電氣設備的正常運行。尤其是在當今倡導低碳節能的形勢下，正確采取諧波抑制措施，有效治理諧波具有更重要的意義。

本文擬通過青島大劇院舞臺可控硅調光系統的諧波抑制案例，來解析有源濾波器在劇院中的應用。

1 舞臺電力系統諧波的產生及特性分析

舞臺電力系統主要包括舞臺燈光、擴聲和舞臺機械等系統用電。由于用電負荷中大量非線性負載設備的使用，產生了大量諧波電流，對供電電網及用電設備產生了嚴重的污染，舞臺燈光系統中的可控硅調光設備引起的電流波形畸變是主要諧波。

對可控硅調光設備所產生的諧波進行專項治理，降低其對電網和用電設備的影響，可減少對調光設備本身和舞臺擴聲系統、舞臺機械自動控制系統等重要電子設備的影響，改善電網質量，確保本單位電力配電系統安全、高效運行。

可控硅調光器是目前舞臺照明、電視演播室照明領域的主流設備，它實質上是一個單相的相位控制交流調壓器，是一種典型的非線性電氣設備，通過可控硅調光技術對照明系統進行控制，用改變正弦波的觸發脈沖導通角度來實現輸出電壓高低的調整。由于可控硅導通角度的改變，使得調光器輸出的電壓波形發生了變化，輸出的已經不再是周期性的正弦波，而是非正弦波，導致電壓、電流波形發生了畸變。對該周期性非正弦分量進行傅立葉級數分析可知，可控硅調光過程中輸出的負荷電壓除含有與電源同頻率的基波成分外，還含一系列頻率為電源頻率奇次倍的高次諧波，這些高次諧波通過導線傳導到其他負載，引起電網電源電壓波形畸變，形成對電網系統的諧波污染（諧波分析見表1）。

表1 劇院配電系統電能諧波分析一覽表

2 諧波的危害

劇院舞臺電源電壓波形畸變所造成的電網諧波污染，使電氣系統的供、用電設備出現許多異常現象和故障。諧波的危害是多方面的，就舞臺電氣系統而言，主要有以下幾個方面的危害：

（1）舞臺擴聲系統、舞臺機械自動控制系統、電視轉播與通訊設備等極易受到電能諧波的干擾，出現失靈、死機、聲音與圖像嚴重失真等后果與事故。就舞臺燈光可控硅調光系統而言，電能諧波超限將干擾可控硅組件觸發控制的同步，甚至導致同步失敗。

（2）電力高次諧波將嚴重干擾電聲學系統的正常功能，特別是人的聽力對17次以上高次諧波具有高敏感度，電聲系統設備非常需要消除高次諧波的干擾。

（3）電力諧波易導致電網與補償電容器發生并聯或串聯諧振，使諧波電流放大幾倍或十幾倍，造成過電流，引起補償電容器和與之相連的電抗器、電阻器等設備損壞。

（4）在三相四線配電線路中，相線上的3次及奇次諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流（通常為相線電流的1.5～2.5倍，最大時達到3倍）。相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，隨著諧波次數高頻率的上升，電纜導體趨膚效應越發明顯，從而導致導體的交流電阻增大，電纜的允許通過電流減小，進而造成中性線發熱，使得斷路器額定電流降低與脫扣電流降低，因諧波產生跳閘的誤動作。

（5）對于計算機網絡、通信、火災自動報警與劇院自動化等弱電設備，電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中，產生干擾。其中電磁感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統。

3 國家對公用電網諧波電壓的限值標準

為了限制諧波污染，保障公用電網的安全運行，美國電氣電子工程師學會（IEEE）和我國從不同角度出發推出了相應的諧波標準。我國早于1993年7月31日頒布了國家標準GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》，把電網中的電壓總諧波畸變率及各次諧波含有率控制在允許的范圍內，以保證供電質量，使接入電網中用戶的各種用電器具免受諧波的危害，保持正常工作。

評估諧波電壓是以電壓總諧波畸變率是否超過上述標準為依據，諧波電壓治理目標就是要小于表2中的限值。

表3中，主要考核用戶向供電系統公共連接點注入諧波電流分量（方均根值）不應超過以上規定的允許值。國際標準IEEE 519/1992針對諸如機場、醫院等重要負荷，規定奇次諧波電流畸變率不大于10%，劇院舞臺燈光系統負荷目前一般采用國際標準IEEE 519/1992來評判。

表2 公用電網諧波電壓（相電壓）限值：引自GB/T 14549-1993

表3 注入電網公共連接點的諧波電流允許值：引自GB/T 14549-1993

4 舞臺電力系統中諧波抑制措施

諧波抑制的措施主要有兩種：一是主動治理，即從諧波源本身出發，通過改進用電設備，使其不產生或少產生諧波，目前用備受關注的正弦波電子調光系統取代可控硅調光系統就是一種非常有效的主動治理方式；二是被動治理，本著誰污染、誰治理的原則，即在諧波源端通過安裝電力濾波器，阻止諧波注入電網，或者阻止電力系統的諧波流入負載端。

4.1 無源濾波器

為抑制可控硅調光中諧波的產生，生產調光器的廠家通常在可控硅的單相輸出回路上設置高頻電感電容濾波器，減緩電流變化上升的時間，這種在諧波源處濾出諧波的方法，可以較大地減少高次諧波的分量。目前在可控硅單相調光回路中普遍采用L-C無源濾波器，由L（電感）與C（電容）構成一串聯諧振支路，諧振頻率f由L和C所確定。當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，即可抑制該次諧波流入電網。L-C無源濾波器有投資少、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，它在吸收高次諧波的同時，還具有改善功率因數的功能。但是在一個調光回路上廠家只是設計了一個L-C濾波支路，是針對一個諧波電流頻率而設置的，而對于多頻率的諧波電流，需分別設置多個L-C濾波支路，這樣做可能造成彼此相互干擾，又會導致顧此失彼，而且設備量的增加還會受到系統參數的限制，可能產生諧振，放大諧波。

4.2 有源濾波器

與無源濾波器相比，有源濾波器具有高度補償可控和快速自適應響應性，能抑制各次諧波，具有動態補償的特點，彌補了無源濾波器的不足。它有一機多能的作用，性價比較為合理，濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；更具有自適應功能，可自動跟蹤補償抑制變化中的多次諧波。

在實際應用中，針對諧波產生的原因和強弱進行技術經濟分析和設計，可根據諧波的嚴重性及危害程度，裝設必要的L-C無源濾波器、有源濾波器或二者混合使用，從諧波產生的源頭上減少諧波的干擾。

并聯型有源濾波器實質上是一個補償受控、快速反應的諧波電流源，與非線性負荷并聯，自動檢測非線性負荷產生的諧波電流。DSP產生的控制信號控制IGBT高速開關器件，經過輸出電抗器，輸出與負荷產生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到消除諧波的作用。

在進行有源濾波器治理設計時，需根據劇院配電系統和負荷情況的不同，設計不同的解決方案。有源濾波器的安裝與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。但在一些非線性負荷分布分散負載的場合，可以采取變壓器總補償或二級配電補償的方案，根據實際情況可配合使用不同方案。有源濾波器安裝位置非常靈活，可根據設計需要達到理想的諧波治理效果。

5 有源濾波器在青島大劇院舞臺燈光系統中的應用

青島大劇院設有1 600座的歌劇院、1 200座的音樂廳和400座的多功能廳，舞臺燈光系統全部采用可控硅調光設備。

為有效抑制諧波對電氣設備的污染，設計采用并聯型有源濾波器來補償抑制諧波，并聯型有源濾波器主要適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統中的不平衡電流等。由此在本案中多處采用有源波器，在配電系統相關節點采取了相應諧波治理措施，以減少電力諧波對燈光設備、電聲學系統設備干擾，改善相關電子設備運行的電磁環境。具體解析如下。

5.1 歌劇院舞臺可控硅調光器的諧波抑制

5.1.1 舞臺燈光配電設備配置

96路×5 kW 可控硅調光柜10臺96路×5 kW 智能直通柜4臺6路×6 kW 場燈、工作燈6臺

5.1.2 配電容量的設計公式

Pjs=Kx×(r×Py+B×S)

設備裝機容量N（為燈光回路總數）×Dw（為單位回路容量）

功率系數：r取0.2

最大同時使用系數：Kx取0.3～0.8

調光總功率：Py

面積系數：B取0.5～0.6

面積：S為表演區面積

5.1.3 舞臺燈光配電容量計算

調光總功率Py=1 344×5+36×6 = 6 936 kW最大同時使用系數Kx= 0.58功率系數r = 0.2面積系數B = 0.5

面積S ≈ 1 250.688 m2

配電容量: Pjs= 0.58×（0.2×6 936 kW+0.5×1 250.688 m2）≈1 168 kW

歌劇院舞臺燈光配電1 150 kW（2 075 A），由變電所低壓柜引出兩組緊密型母線槽2 500 A（五芯）至調光硅柜室ATS雙電源切換柜，調光配電選用國標GCK型抽屜式低壓開關柜。（注：N線為相線截面的2倍）。

5.1.4 有源濾波器設備配置

按照調光模塊額定容量換算，諧波電流水平在調光模塊額定相電流的13%～37%。由于劇院燈光系統的運行特點決定了調光系統諧波水平頻繁變化的特點，總體諧波水平將在一個比較寬的幅度內隨機變化，換算到等效容量，相諧波電流容量取為額定電流的30%。常用工作電流I相= 2 000 A，需要補償的最大諧波電流：I諧波= 2 000 A×0.3 = 600 A。

圖1 歌劇院舞臺燈光電氣有源濾波器配置系統圖

選用RESINETM三相四線有源濾波器作為諧波抑制裝置，主要指標參數為：濾除諧波次數2～51次；諧波衰減比>10；響應時間≤1 ms。設置額定諧波濾波電流容量200 A的RST4XB200PSM型號濾波器3臺（該裝置為模塊化，可根據諧波抑制的需求，增減電流容量模塊），并聯運行的總額定諧波電流濾波能力為600 A/相。3臺并聯有源濾波器共享諧波檢測電流信號，設備之間互有通訊，實現聯機均衡輸出反相諧波電流（配置系統見圖1）。

5.1.5 有源濾波器投運檢測數據

檢測儀器：（HIOKI 3196）多功能電能質量分析儀運行測試時，舞臺燈光配電設計負荷全部加載，所有調光回路設在導通角為50%左右，有源濾波器投入前后的檢測數據對比見表4，檢測數據對比記錄圖見圖2（1）～（10）。

5.1.6 歌劇院舞臺燈光電氣有源濾波器投運后情況

由圖2（1）～（10）對比分析可見，有源濾波器投入使用后，諧波電壓總畸變率（THDU）由11.63%下降到4.20%，電流總畸變率（THDI）由34.27%下降至5.44%，諧波電流波形得到顯著的改善呈正弦波形態；符合國標GB/T14549-1993的小于5.0%的指標要求，電流畸變率明顯降低達到10%以下，也達到了IEEE 519/1992國際標準的要求。通過檢測，中性線電流由750 A下降到150 A，減少了中性線的發熱，消除了誤跳閘現象；功率因數由0.964 6提高至0.990 4，從而使電流有效值降低，減少了無功損耗，諧波電壓值VH由公式計算得來；諧波電流值Ih由公式：計算得來。提高了設備的使用效率。在濾波器投入前檢測，3、5、7、9次諧波量最大（尤其是3次和5次）并含有部分高次諧波量；有源濾波器投入后，諧波電流得到明顯的抑制，通過分析和計算，諧波抑制率達到80%以上，若在濾波器設備中再增加部分額定電流容量模塊，提高諧波電流的補償能力后，諧波抑制率還會得到更好的改善。諧波抑制率的改善主要取決于舞臺燈光系統諧波電流與濾波器額定電流容量的比值，諧波電流與濾波器額定電流容量的比值越小，諧波抑制率越佳，最高可達到95%以上。由此可見，在舞臺燈光控制系統使用有源濾波器后，諧波抑制取得顯著效果，達到預期的設計要求。

表4 歌劇院舞臺燈光電氣有源濾波器投運前后檢測數據對比表

圖2 歌劇院舞臺燈光電氣有源濾波器投運前后檢測數據對比記錄圖

根據測試數據的比對，經過有源濾波器治理后，電壓畸變率小于5%，諧波電流有效值明顯降低，同時功率因數得到極大的改善，提高了電能利用率，青島大劇院歌劇院的諧波治理工作達到了預期目標和效果。

5.2 音樂廳舞臺可控硅調光器的諧波抑制

5.2.1 舞臺燈光配電設備配置

96路×6 kW可控硅調光柜1臺

60路×6 kW智能直通柜1臺

6路×6 kW場燈、工作燈2臺

5.2.2 配電容量的設計公式

參見 5.1.2。

5.2.3 舞臺燈光配電容量計算

調光總功率：Py=168×6 =1 008 kW

最大同時使用系數：Kx=0.38

功率系數：r = 0.2

面積系數：B = 0.5

面積：S ≈ 239 m2

配電容量：Pjs= 0.38×（0.2×1 008 kW+0.5×239 m2）≈122 kW（228 A）

5.2.4 有源濾波器設備配置

常用工作電流I相=300 A，需要補償的最大諧波電流：I諧波= 300 A×0.3 = 90 A。

選用RESINETM三相四線有源濾波器作為諧波抑制裝置，主要指標參數為：濾除諧波次數2～51次；諧波衰減比 >10；響應時間≤1 ms。設容量90 A的DERST4XB090PSM型號濾波器1臺, 運行額定諧波電流濾波能力為90 A/相。實現輸出反相諧波電流（配置系統見圖3）。

5.2.5 有源濾波器投運檢測數據

有源濾波器投入前后的檢測數據對比見表5。

5.2.6 音樂廳舞臺燈光電氣有源濾波器投運后情況

（1）電流波形明顯改善，使用濾波器后電流波形呈正弦波形態；

圖3 音樂廳舞臺燈光電氣有源濾波器配置系統圖

表5 音樂廳舞臺燈光電氣有源濾波器投運前后測試數據對比表

（2）使用濾波器后電壓畸變狀況得到改善，諧波電壓總畸變率（THDU）從2.32 %下降到1.58 %；

（3）使用濾波器后電流畸變狀況得到明顯改善，諧波電流總畸變率（THDI）從46.57 %下降到8.04 %；

（4）使用濾波器后功率因數有所提高，由投入前的0.762 6提高到0.913 7，提高了設備的使用效率。

音樂廳舞臺燈光系統使用了國產可控硅調光柜，由于國產器件的技術參數與進口元器件存在一定的差異性，調光回路中電流上升的時間明顯快于進口器件，所造成的諧波干擾也明顯大于進口調光柜。投入額定諧波電流90 A/相的有源濾波器后，諧波抑制取得顯著效果。

5.3 多功能廳舞臺可控硅調光器的諧波抑制

5.3.1 舞臺燈光配電設備配置

96路×6 kW可控硅調光柜4臺

96路×6 kW智能直通柜1臺

6路×6 kW場燈、工作燈2臺

5.3.2 配電容量的設計公式

參見 5.1.2。

5.3.3 舞臺燈光配電容量計算

調光總功率：Py= 492×6=2 952 kW

最大同時使用系數：Kx= 0.43

功率系數：r = 0.2

面積系數：B = 0.5

面積：S ≈ 689 m2

配電容量：Pjs= 0.43×（0.2×2 952 kW+0.5×689 m2）≈402 kW（722 A）

5.3.4 有源濾波器設備配置

常用工作電流I相=800 A，需要補償的最大諧波電流：I諧波= 800 A×0.3=240 A。

選用RESINETM三相四線有源濾波器作為諧波抑制裝置，主要指標參數為：濾除諧波次數2～51次；諧波衰減比>10；響應時間≤1 ms。設容量120 A的RST4XB120PSM型號濾波器2臺，并聯運行總額定諧波電流濾波能力為240 A/相。2臺并聯有源濾波器共享諧波檢測電流信號，設備之間互有通訊，實現聯機均衡輸出反相諧波電流（配置系統見圖4）。

5.3.5 有源濾波器投運檢測數據

有源濾波器投入前后的檢測數據對比見表6。

5.3.6 多功能廳舞臺燈光電氣有源濾波器投運后情況

（1）電流波形明顯改善，使用濾波器后電流波形呈正弦波形態；

（2）使用濾波器后電壓畸變狀況得到改善，諧波電壓總畸變率（THDU）從10.38 %下降到3.18 %；

（3）使用濾波器后電流畸變狀況得到明顯改善，諧波電流總畸變率（THDI）從49.22 %下降到9.68 %；

圖4 多功能廳舞臺燈光電氣有源濾波器配置系統圖

（4）使用濾波器后功率因數有所提高，由投入前的0.716 5提高到0.957 3，提高了設備的使用效率。

可見，投入額定諧波電流240 A/相的有源濾波器后，諧波抑制取得顯著效果。

6 諧波治理效果評估

青島大劇院安裝有源濾波器設備后，在歌劇院、音樂廳、多功能廳幾個配電機房的可控硅進線柜使用專用的電能質量測試儀器進行檢測，對比有源濾波器投入前和有源濾波器投入后的測試數據可知，經過有源濾波器治理后，電壓畸變率小于5%，諧波電流有效值明顯降低，達到國標GB14549-1993的要求，電流畸變率明顯降低達到10%以下，也達到了IEEE 519/1992國際標準的要求；同時功率因數明顯得以改善，提高了電能利用率。青島大劇院針對舞臺可控硅調光的諧波治理工作達到了預期的目標和效果。

6.1 諧波治理的經濟效益

諧波治理的經濟效益需要綜合直接效益和間接效益來考慮。

直接效益：降低配電系統中諧波電流畸變水平，將直接減少諧波帶來的附加發熱危害，減少諧波產生的有功功率損失及其引起的額外損失；降低配電系統中諧波電流畸變水平，將提高配電系統中主要電源設備如變壓器、柴油發電機組等的負載能力與有效容量；采用具有動態無功調節功能的有源濾波設備，將提高配電系統功率因數。

間接效益：延長變壓器、電機、電纜等的使用壽命；延長用電設備如燈具、調光設備的使用壽命；消除系統發生并聯或串聯諧振的隱患；減少電氣保護設備誤動作的產生，降低設備維護費用；消除因高次諧波對電聲系統的干擾。

6.2 節能效果評估

諧波治理一方面消除諧波對電網和設備發熱影響，一方面可以降低無功的損耗，減少電能的消耗。針對能耗的評估可以通過比對配電房硅控室進線柜視在功率的變化來衡量節能效果，即

（1）大劇院可控硅柜室配電節能評估

（2）音樂廳可控硅柜室配電節能評估

（3）多功能廳可控硅柜室配電節能評估

安裝諧波抑制設備后，視在功率和計算電流減少，系統有功功率增加，除直接帶來電費節省外，還節省電纜、母線的導體截面，改用小容量的變壓器及小電流級的開關設備，從而節省建設項目的投資。

7 結論

解析青島大劇院舞臺可控硅調光對供配電系統中的諧波治理情況，可以了解諧波對供配電系統和舞臺、燈光、音響設備的具體危害。而安裝有源濾波器后的監測記錄顯示，采用有源濾波器對抑制舞臺可控硅調光器諧波的收效明顯。

電力諧波問題是非常嚴重的電網污染和公害，應該引起劇院建設者和管理者的高度關注。在國家大力提倡綠色、節能、環保的形勢下，采取正確的技術措施對舞臺可控硅調光器產生的諧波進行治理非常重要。正確掌握并應用這一技術手段，有效治理劇院、舞臺的電力諧波，是業內專業技術人員義不容辭的責任。