電力有源濾波器在民用建筑的應用

張環宇

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

非線性負載存在于供配電系統內，它是形成諧波的根源。在過去的工業生產實踐中，由中頻爐、電弧爐及直流電動機主導管控的生產線路上的裝置是形成諧波的主要設備類型。最近幾年，科學技術日新月異，推動了電力電子技術前進的腳步，能形成諧波的設備類型也不斷增多，不再單一化。但是諧波設備在用于民用建筑中通信（移動、聯通及電信等）樞紐樓內時，很多業主向有關部門反映電容器存在過熱、脹熱等現象，甚至出現電動機無緣由被燒損等情況，電力等主管部門逐漸加強了對這些問題的關注[1]。

1 有源濾波器原理

電力有源濾波器的構成以電流運算電路、補償電流發生電路為主，補償電流發生電路主要由電流跟蹤控制、驅動以及主電路等構成。

指令電流運算電路的功能：由負載電流（iL）內分離出的基波無功與諧波電流，對諧波電流形成逆極效應，隨即把補償電流指令信號傳導至外界環境中。

電流跟蹤控制電路的功能：依照指令電流運算電路形成補償電流對應的指令信號，測算出主電路中各功率開關器件對應的PWM信號驅動主電路運作過程，形成現實補償電流，故而此時電源電流（iS）內僅含有基波電流有功分量，進而達成抑制或解除電網內的諧波電流和進行無功功率代償的目標[1]。

綜上，實現對有源濾波器運轉模式有效調控的關鍵點是運算指令電流，等同于針對諧波電流、代償電流的生成過程予以追蹤處理。

2 工程概況

某民用建筑機房變電所主要由2臺SC10-1600kV/A 10kV/0.4kV（用備均各為一臺），2臺125kV/A UPS裝置及4臺250A開關電源構成。各類設施的電流供應形式均以低配放射為主，結合相關設備說明書發現低壓側設濾波額定輸出電流值為450A，為實現對諧波的有效治理及調控，現擬定采用有源濾波器進行，單位柜體規格為800mm×600mm×2200mm。

結合工程現場勘查資料發現，該變電所內其他類型設備設施裝設作業均已竣工完成，并沒有發現預留縫隙。鑒于以上工況，相關人員決定把有源濾波器的安裝位點設定在總進線柜后一柱子側面，并盡量和墻落地相臨近。為更全面地收集電流信號，決定把采集位點不設在電流互感器位置，總進線開關的下樁頭為濾波器電源輸注點[2]。

3 電力有源濾波器在民用建筑中的具體應用

3.1 科學擬定諧波治理目標

在該建筑工程中，電力及有關部門形成合力作用，共同檢測諧波治理工作質量，以《電能質量公用電網諧波》中的相關規范標準開展該項工作，在設計諧波治理方案前期，務必設定準確的治理目標值。

3.2 確定諧波電壓、電流治理目標值

（1）電壓。有關文件中針對公用電網諧波電壓值作出明確限定：當電壓為0.38kV時，電壓總諧波畸變率以及奇、偶數各次諧波電壓含油率依次為5.0%、4.0%、2.0%；當電壓為10kV時，以上3項指標分別為4.0%、3.2%、1.6%；當電壓為66kV時，上述指標對應值依次為3.0%、2.4%、1.2%。從宏觀角度分析，在設定諧波電壓時，始終要把電壓總諧波畸變率設為參照值，在諧波電壓治理期間，設定的目標值均要低于如上所涉及的數值。

（2）電流。依照相關標準，注入公共銜接點的諧波電流許可值如表1所示。

表1 公共連接點的諧波電流對應的許可值

諧波電流以用戶能夠輸注至公共銜接點的諧波電流許可值為標準，依照國家標準注入公用連接點的諧波電流允許值[3]。針對某10kV的進線用戶、基準短路容量為100MV·A時，輸注公共銜接點的諧波頻次為2、3、4、5、6、7、8、9、10時，對應的許可值依次是26A、20A、13A、20A、8.5A、15A、6.4A、6.8A、5.1A。

3.3 確定諧波源

針對通信機房大樓形成的諧波治理，文章針對幾種形成諧波的設備裝置，利用FLUKER43B檢驗其UPS和開關電源，具體檢測信息有以下兩個方面。

（1）UPS的檢測結果：分析測試結果，發現UPS會生成5、7、11、13、19、25、29、37及41次諧波，尤其是五次諧波是基波電流的30.1%，電壓畸變率對應值是4.1%，電流波形與正弦波兩者形成較大距離。

（2）開關電源的檢測結果：開關電源檢測會形成5、7、11、19、23、29、21、37、43及49次諧波，五次諧波在基波電流中占有率為36.4%，電壓畸變率對應的指標是3.4%，電流波形與正弦波相比較，兩者存在較明顯差異。

3.4 計算諧波電流

式中：K為濾波器的余量系數，通常依照實踐經驗數據取值，區間為1.1～1.5；THDF為治理目標的電流總諧波畸變率；ηF為治理目標對應的最大負載率，%；ηC是檢測數據的負載率，%。THDi與Irms對應的數值均可以由現場檢測作業中獲得。

3.5 有源濾波器的類型

現階段，業內有源濾波器主要包括兩個類型：三相三線有源濾波器與三相四線有源濾波器。若在實踐中發現系統需濾除三次諧波則建議選用類型三相四線有源濾波器，反之則選擇類型三相三線有源濾波器。

3.6 有源濾波器的運轉機制

有源濾波器的運轉機制主要在電流互感器的協助下，檢測電流信號并詳實錄入有關信息，針對諧波要嚴格依照相關規范分離處理后進行計算，這樣濾波器就會順利產出一個與諧波電流幅值一致、相位相反的電流，將其輸導到系統線路中，能實現對系統中諧波電流的有效抵消。

3.7 有源濾波器的作用

有源濾波器的作用主要是在相同時間位點上將重復出現的濾波實施濾除處理，在濾波器體積充足的工況下，其就達成自我適應的目標，可以在2～50次諧波中篩選出事前擬定的濾波頻次，設定濾波先后次序。

3.8 有源濾波器的接線

（1）信號：在諧波治理實踐中，需要把電流互感器的電流信號牽引到濾波器的接線端子，通常在6根信號線協助下就能達成，比如KVV-16×2.5。

（2）輸注電源：在理想的工況下，濾波器的接線端子和系統線路相互銜接，三相四線、三相三線的電源線分別是五芯電纜、四芯電纜，在具體選擇實踐中，建議參照載流量高于濾波器濾波額定輸出電流的規則。比如，對于100A的三相四線有源濾波器而言，在現實安裝中，其可以選用YJV4×50+1×25的電纜設施。

3.9 檢測數據

濾波前后數據對比分析如表2所示[2]。

表2 濾波前后數據檢測情況統計

4 結束語

結合現場檢測結果，可以發現有源濾波器的濾波功率處于較高水平，高于97.0%，濾波后的電壓、電流波形是很完整的正弦波；在增加負載情況下，總電流量有較明顯的降幅，一方面實現有效濾波，另一方面也取得了良好的節能效果。和工業設備設施相比，民用建筑設備形成的諧波頻次更具廣泛性，部分情況下諧波頻次能達到49次，若采用無源濾波器，則難以實現有效治理。故而在設定治理目標值后，以合理規劃測算濾波容量為支撐，選擇適宜的有源濾波器具有很大現實意義，不僅諧波治理效率高，而且節能效果優良，為有源濾波器在建筑領域中的推廣應用奠定良好基礎。