樓宇配電系統的諧波和無功綜合治理問題及其新思路研究

邱 黎

（重慶市設計院，中國 重慶 400015）

0 引言

隨著科學技術的進步，生產和生活領域中的自動化、智能化設備應用越來越普遍，對電能質量提出了更高的要求。其一，樓宇BAS中由大量的電子設備及電氣設備諧波源產生的諧波對配電系統嚴重污染，隨著樓宇及智能小區迅速發展，若治理不力，這種污染愈來愈重，甚至成為公用電網的主要污染源。因此，綜合治理好樓宇的諧波和無功功率，對提高公用電網的電能質量有十分重要的意義；其二，綜合治理樓宇的諧波和無功功率，能提高樓宇配電系統的供電質量，提高供電的安全性和可靠性，切實保證樓宇智能化系統等設備的安全正常運行，提高樓宇的功能和效益。

1 諧波抑制方法及存在的問題

抑制諧波的方法有兩種，一是設計諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都適用；另一種是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，而且功率因數接近為1。傳統的諧波補償方式采用由LC組成的無源濾波器，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。它具有結構簡單，前期投資少，運行可靠性高，運行費用低等優點，因而得到廣泛的運用。但是LC濾波器存在一些難以解決的問題。

（1）只對設計要求規定頻率點的諧波濾波效果較好，對其它頻率諧波濾波效果不明顯。

（2）負載諧波電流過大時可能造成無源濾波器過載，損壞濾波器，造成事故。

（3）無源濾波器的濾波效果與系統的運行狀況相關，當電網系統阻抗和頻率變化時，難以保證濾波效果。

（4）對特殊的諧波或系統阻抗和頻率變化，可能與電網阻抗發生串聯或并聯諧振現象，造成電壓波形畸變和諧波電流放大，引起無源濾波器過壓過流，甚至損壞，影響電網的穩定性。

近年來，有源電力濾波器取得了長足的發展，被認為是治理電網諧波的最有前途的方法降。有源電力濾波器的基本原理是檢測出補償對象中諧波電流的大小，由有源電力濾波器產生一個與諧波電流大小相等、極性相反的補償電流抵消諧波電流，使電網電流只含基波分量。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器能對變化的電網諧波進行動態跟蹤補償，補償特性受電網阻抗變化影響小，不存在諧波放大的危險，儲能元件容量小。但是，有源電力濾波器的工業應用尚處于初期階段，日本和美國已有此類產品投入實際運行。我國還處于研制階段，有關研究還停留在實驗室研究和工業化實驗階段，到目前為止，有源電力濾波器還未能在我國工業領域得到廣泛應用。

2 無功功率補償方法及存在的問題

電網用戶中，不僅大多數網絡元件需要消耗無功功率，大多數負載也消耗無功功率。由于電網容量的增加，對電網無功的需求也越來越大，如果無功電源容量不足，系統運行電壓將就難以得到保證。電網功率因數和電壓的降低使電氣設備得不到充分利用，降低網絡傳輸能力。因此，解決好供配電網絡無功補償問題，對電網的安全運行和降低電網損耗、節約能源有著重要意義。

（1）早期的無功功率補償裝置是同步調相機。同步調相機不僅能補償固定的無功功率，同時對變化的無功功率也能進行動態補償。其缺點是反應速度慢，損失較高，價格也比較貴。

（2）采用并聯電容器也能對無功功率進行補償。在與同步調相機調節效果相近的情況下，并聯電容器方便靈活，而且費用比同步調相機少得多。它的缺點是只能補償固定的無功功率，在系統有諧波的情況下，還可能發生并聯諧振，燒毀電容器。

（3）靜止無功補償裝置近年來發展很快，己被廣泛應用于電力系統。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應用。它的特點是能連續調節補償裝置產生的無功功率，而且響應速度快，也比同步調相機便宜。TCS只能分組投切，必須和TCR配合使用，才能連續調節無功功率。TCS和TCR配合使用，進行分相控制，還能平衡三相不對稱負載，對負序電流起到一定的抑制作用。其主要問題是因TCR裝置采用相控原理，在動態調節基波無功功率的同時，產生大量的諧波。

（4）靜止無功發生器是一種比SVC更先進的無功功率補償器，通過不同的控制，既可使其發出無功功率，呈電容性，也可使其吸收無功功率，呈電感性。采用PWM控制時，可使輸入電流接近正弦波。但其只能補償無功功率，功能略顯單一。

3 樓宇配電系統諧波和無功綜合治理現狀及存在的問題

辦公樓宇中，一般很少有大容量的沖擊性負荷，因此對動態無功補償要求不高。樓宇諧波和無功綜合治理方法是從用戶、配電系統和輸電系統三個從面統一、經濟地處理。對于容量大的諧波源應就近安裝濾波器，而對容量不大的諧波源可在系統母線上集中濾波；對于諧波限制不嚴格的用戶，使用無源濾波器治理諧波∶對于諧波限制嚴格的用戶，將無源濾波器和有源電力濾波器結合起來使用。

存在的主要問題∶其一，目前尚無樓宇電能質量標準，國家頒布的和國際上有關電能質量標準均不適用于樓宇；其二，很多樓宇用戶只重視無功補償，提高功率因數，不重視諧波治理。當樓宇諧波負荷較大時，如果僅僅考慮無功補償，會造成諧波放大，使電容器無法投運；其三，技術上尚缺能綜合治理樓宇低壓三相配電系統（380/220V）和低壓單相配電系統（220V）諧波和無功的電力電子裝置。目前，一種方法是采用UPS，這種裝置能保證用電設備的供電質量，但大多數UPS本身是一諧波源，對配電系統產生嚴重污染，并且UPS的造價高，不宜在樓宇中大力推廣。另一種方法是采用ABB公司生產的串聯型三次諧波濾波器THF，該裝置能有效解決低壓配電系統的三次諧波問題，但對其它高次諧波和無功功率的補償則無能為力，更不能解決三相配電系統的負序電流。

4 樓宇供電諧波和無功綜合治理新思路

成本的無源濾波器是目前廣泛采用的諧波和無功功率補償方法，但其濾波效果與系統運行情況密切相關，特定情況下還可能與系統發生諧振，并且其無功功率補償能力與公共連接點電壓的平方成正比關系，不能隨電壓變化而進行有效補償。并聯型有源電力濾波器（APF）的補償特性不受電網阻抗的影響，能對諧波和無功功率進行動態補償。但是，目前大容量的APF存在造價高、功耗大以及電磁干擾較大等問題，在實際應用中受到限制，而可使APF容量降低的混合補償方案可有效地解決APF存在的問題。

5 結束語

電能質量綜合治理分析系統是一種節省投資的技術經濟性能較好的補償措施，分析諧波狀態進行綜合優化補償方案制定。進行大容量的動態諧波和無功功率補償時，最大程度地降低有源濾波器的容量，不僅可降低裝置成本、減小損耗，而且可避免或減少大容量補償時開關元件串并聯所引起的問題。為樓宇供電諧波和無功的綜合補償提供一條新途徑。

［1］戴瑜興,張義兵,胡慶偉.智能建筑諧波和無功功率的綜合治理[J].電工技術雜志,2003,12.

［2］陳蘊倩.現代建筑電氣設計中電源諧波問題的研究[D].浙江大學,2005.

［3］戴瑜興,張義兵,胡慶偉.智能建筑配電系統負荷特征分析[J].低壓電器,2003,06.

［4］呂泳彬，黃東.智能建筑配電系統諧波問題及無功的治理策略[J].科技信息，科學教研，2007,11.

［5］孫洪梅.低壓單相非線性負荷諧波特性研究的必要性分析[J].科技信息,2011,13.