現代建筑諧波分析及其低壓配電系統中的諧波治理方法

2016-01-15 07:05:21李叢,李智

智能建筑電氣技術 2015年4期

李叢 / 李智 (深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司，廣東深圳 518054)

摘要介紹了現代建筑內諧波的來源、危害、相關的諧波標準以及通過使用有源電力濾波器進行治理后的效果評估，闡述有源濾波器在民用建筑低壓配電中的應用意義。

關鍵詞非線性負載諧波有源濾波器

AbstractThe sources，hazards and related standards of harmonics in civil construction, and the governance effect assessment through the use of active power filter are described to prove the significance of the active filter in low-voltage distribution of civil construction.

Keywordsnon-linear load, harmonic, active power filter

0引言

隨著現代科技迅猛發展，民用建筑(特別是大型綜合類民用建筑)中大量高靈敏度的現代化用電設備和裝置的應用，給人們的生產、生活帶來極大的便利；同時這些設備也是諧波源設備，給人們帶來了電力諧波等電能質量問題，對建筑物內的電氣安全和設備運行等產生了新的威脅。

1現代綜合類民用建筑的諧波源及其危害

現代綜合類民用建筑中的諧波主要來自于兩方面,一是公用電網本身，這一部分所占比例較小；二是現代綜合類民用建筑內大量的非線性負荷形成的諧波源。

現代綜合類民用建筑內主要的諧波源有：現代照明系統、辦公設備、UPS(不間斷電源)、EPS(應急電源)、變頻驅動設備以及電子控制設備等。

諧波對配電系統和用電設備產生的危害主要表現為：1)諧波電流使電動機效率降低,發熱增加,縮短其壽命；2)諧波電流會使變壓器產生附加損耗,從而引起過熱,使絕緣介質老化加速,導致絕緣損壞，以及增加噪聲；3)諧波電流的大量存在會使并聯電容器容易吸收諧波電流引起過載發熱，同時容易構成諧波、諧振；4)諧波電流會使斷路器誤動作；5)諧波易造成計算機故障死機和屏幕的頻閃；6)諧波易造成電纜發熱特別是對中性線電纜影響更大，嚴重情況下導致中性線電纜過載、過熱、燒毀；7)諧波畸變嚴重的情況下會在一個正弦周期內出現多個額外過零點,會使可控硅開關設備控制裝置誤動作；8)諧波會導致感應式電能表計費不準。

2諧波問題的解決方案

諧波問題解決方案一般有2種：配置無源濾波器和配置有源電力濾波器。

無源濾波器和有源濾波器的對比見表1。

有源電力濾波器利用可控的半導體功率器件(如IGBT)，向電網注入與非線性負荷產生的諧波電流幅值相等、相位相反的電流。使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。相對于無源濾波器濾波能力的變化不定，有源電力濾波器的濾波能力是確定的，其濾波能力和負荷的功率因數無關。有源電力濾波器的特點是實現了對補償對象的變化快速響應，可對頻率和大小都在變化的諧波進行補償，有源電力濾波器可以自動限制在100%額定容量以下輸出，不會發生過負荷。

有源電力濾波器的配置一般采用兩種方式：負載就地治理方式和變電房集中治理方式，下面為根據負載類型的諧波畸變率和設備容量等分別給出的有源電力濾波器容量速查表。

1)典型負載就地治理有源電力濾波器容量見表2。

2)配電房變壓器二次側集中治理有源濾波器容量見表3。

表1　無源濾波器和有源電力濾波器的對比

表2　典型負載就地治理速查表

(1)表2和表3中第一行表示電流諧波總畸變率，第一列表示變壓器(負載)容量；兩者交叉處表示該處選擇的有源濾波器容量。

(2)表2和表3中的容量均是在變壓器負荷率50%的情況下計算所得，功率因數按照0.95考慮。

(3)演藝中心、大劇院等可控硅調光設備負荷率越小，電流諧波總畸變率越大，隨著負荷率的上升電流諧波總畸變率降低，大多數調光設備品牌一般都是在50%左右負荷率下，諧波電流有效值最大。

(4)若變壓器的負荷率不是此值，那么APF的容量將按比例增減。

表3　配電房變壓器二次側集中治理速查表

3DIVORSINE有源濾波器在供電系統中的應用案例

本文以筆者負責設計的深圳某公司生物產業研發基地項目為例，項目基地位于深圳市鹽田區，南北長約470m，東西寬約270m，總用地面積102 999.81m2，總建筑面積346 738.09m2。項目用途包括生物科技研發廠房、國際學術會議中心、配套辦公室、員工宿舍、物業管理用房、垃圾分類處理中心、10kV變電所和綜合通訊接入網機房等。

項目效果圖

3.1有源濾波器容量的計算

由于有源濾波器相對無源濾波器具有諸多優勢，此項目主要在研發廠房、會議中心和冷凍機房采用了有源濾波器的集中配置方案，下面以研發廠房1#配電房P1-1TM變壓器為例進行介紹，P1-1TM變壓器SGB10-1600/10 1 600kVA，D，yn11，主要負載為生物研發廠房的實驗儀器、電腦、照明和插座等，根據各個變壓器容量的大小以及相應的諧波畸變率計算諧波電流的大小，集中配置方案諧波計算：

有源濾波器的選型考慮到設備負載率變化以及有源濾波器預留一定的裕量等要求，同時參考變電房變壓器二次側集中治理速查表，在P1-1TM變壓器集中配置了1組200A的DIVORSINE有源濾波器。其他的變壓器也可以參照此類計算和速查表來選擇有源濾波器的容量。

3.2其他各變壓器低壓側的有源濾波器配置表(見表4)

3.3有源濾波諧波治理效益分析

有源濾波器投入后，諧波電流畸變率由15%～35%下降到國家標準要求范圍內(5%左右)，假定負載有功輸出恒定且功率因數不變(即負載基波電流恒定)，則系統側視在電流IS的變化如下：

設負載電流為IL，負載基波電流為ILF，系統側電流畸變率為THDIS，負載側電流畸變率為THDIL。

濾波器投入前：Is-OFF=IL，THDIs-OFF=THDIL，則系統側視在電流IS=負載基波電流ILF×(1+諧波電流畸變率THDIL2)^1/2。

濾波器投入后：IS≈ILF，THDIs-ON=5%，則系統側視在電流IS-ON=(濾波器消耗基波電流IeF+負載基波電流ILF)×(1+諧波電流畸變率THDIS-ON2)^1/2。

濾波器投入前、后系統的視在電流的差值△IS=IS-OFF-IS-ON，約為：△IS=負載基波電流ILF×