建筑供電諧波的治理措施

劉昌明

1 建筑配電系統諧波的危害

諧波電壓和諧波電流對配電系統是一種污染，不但使建筑中的電氣設備與電子設備及智能化系統用電環境惡化，并對周圍的通信系統甚至配電系統以外的設備造成危害。

諧波對電動機的損失增大，將使電機發熱增加，老化加快;諧波的脈動對電動機轉軸將產生振動;諧波會對斷路器、漏電保護器、熔斷器、繼電器等保護、自動控制裝置產生干擾，造成誤動或拒動，當出現高次諧波含量較高的時候，電流會使斷路器的整個分斷能力降低;使照明設施的壽命縮短，特別是白熾燈光源;諧波過大，使電能計量儀表產生更大的誤差;對鄰近通信線路，諧波電壓會產生靜電干擾，諧波電流將產生電磁干擾;由于諧波的存在，使得許多無功補償系統不能正常地投入使用，使得功率因數低，電網的網損增加;諧波電流使配電線路損耗增大，輸電能力降低;另外，電纜的分布電容可以使整個諧波逐漸放大，當諧波流過電力電纜以后，就會產生許多的集膚效應，并不斷的加重，使得整個電纜出現發熱的情況，耗損變大;諧波對電子設備的不良影響主要有：對過零檢測以基波頻率為基準的電子設備，因諧波的影響造成過零誤動作，從而破壞電子設備的正常運行;電壓突變產生的dv/dt，造成電子設備損壞或誤動作;諧波對電力電容器的損害極容易引起電網與用于補償電網無功功率的并聯電容器發生串、并聯諧振。

2 諧波治理措施

治理諧波的措施有兩種：1)設計諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都適用;2)合理設計用電系統，對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數接近為1。

2.1 合理設計用電系統，選用低諧波源用電設備

1)采用D，yn型配電變壓器。在D，yn聯結組變壓器中，3n次諧波勵磁電流在其接線的一次繞組內形成環流，不注入到公共的高壓電網中去，較一次繞組Y接線的Y，yn聯結組變壓器更有利于抑制諧波。2)對變流器本身進行改造，采用高功率因數變流器。a.采用整流電路的多重化。采用整流電路的多重化來減少諧波是一種傳統方法。將幾個橋式整流電路以串聯方式多重聯結可以減少輸入電流諧波，用該方法構成的整流器對抑制諧波比較有效，但對功率因數的提高不明顯。b.采用PWM整流電路。PWM整流電路有電壓型和電流型兩種，其中電壓型應用較多。通過對PWM整流電路適當控制，可以使PWM整流電路輸入電流幾乎接近正弦波，且電流電壓同相位，功率因數近似為1，稱為高功率因數變流器。c.采用帶斬波器的二極管整流電路。帶電容濾波的二極管整流電路盡管結構簡單、成本低，但工作時輸入電流含有大量諧波，若在整流橋與濾波電容間加一級用于功率因數校正的功率轉換電路，則可以使輸入電流接近正弦波，且大大提高功率因數。d.矩陣式變頻電路。該電路是一種用全控開關器件、采用斬波方式，不通過中間環節直接把一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。3)合理設計用電系統，將非線性負荷與敏感負荷分開，分別由不同母線供電。4)有變頻控制需要的用電設備，其變頻裝置應盡量靠近被控設備安裝，并抑制諧波;對一些諧波源較大的回路就地設置有源濾波器。5)適當增大回路中配電線的線徑，減小諧波電流對導線的影響和避免電氣火災。6)嚴格選用符合電磁兼容性要求的電力電纜、信號電纜及通信電纜。

2.2 設計諧波補償裝置來補償諧波

1)無源電力濾波器。無源電力濾波器由一組串并聯的電容器、電感器和電阻元件構成，利用其在某一諧波頻率下諧振時的低阻抗狀態對諧波形成分流，從而降低注入電網的諧波電流起到濾波作用。無源濾波器的優點是投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進行無功補償的主要手段。

另外，無源濾波器濾波效果與系統運行參數密切相關。在某一諧波頻率串聯諧振時形成低阻抗對諧波分流時，會在相鄰的較低頻率和系統阻抗并聯諧振形成高阻抗。如并聯諧振點發生在整數次諧波且該次諧波有相當數量的諧波電流，則可能導致高電壓和大電流，引起高頻放電、過流跳閘等問題。

2)靜止無功補償器(SVC)。靜止無功補償器是電網中控制無功功率的工具，它根據無功功率的需求量自動進行補償，所以是一種動態補償裝置。除了可抑制諧波以外，特別適合于抑制快速變化的諧波源所產生的電壓波動和閃變。三相SVC有抑制三相不平衡的作用。SVC使用晶閘管來快速調整并聯電抗器的大小及投切電容器組，并可兼有事故時的電壓支持作用，維護電壓水平，消除電壓閃變、平息系統振蕩等。可以靜態或動態地使電壓保持在一定范圍內，從而提高電力系統的穩定性。

3)有源電力濾波器(APF)。圖1為電力有源濾波器基本原理圖。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，對補償對象的變化有極快的響應;可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節;補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量也不大;即使補償對象電流過大，有源電力濾波器也不會發生過載，并能發生正常補償作用;受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振;能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響;既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功集中補償。

4)電能質量綜合補償(UPQC)。為有效抑制建筑中大量的單相非線性負荷產生的諧波和無功功率，提高配電系統的電能質量，一種由SAPF和PAPF組成的有源電力濾波器UPQC產生。該裝置的SAPF進行電壓補償，PAPF進行電流補償。對用戶端來說，它能有效地補償市電中諧波，防止市電中的諧波污染負載，為負載提供優質的電能。用UPQC補償后的配電系統將成為一個無電壓閃變、無電壓波動、無諧波的實時化柔性供電網。圖2為一臺單相UPQC綜合治理單相配電系統的方案。

5)諧波保護器。諧波保護器能從源頭消除諧波污染，為用電設備提供諧波保護，是一種并聯在用戶電路中的電力裝置，可以連續地監測電力系統中電流的狀態，同時阻隔并吸收電路中的高次諧波，使各類設備本身產生的諧波不干擾其他設備。諧波保護器可對波形進行糾正，在消除諧波的同時，可消除對用電設備極具破壞性的浪涌電壓、尖峰信號等雜波，從而使各相電路中的電流、電壓趨于平衡，相位差保持一致，充分發揮了各類設備的設計功能。當消除諧波后，導體的集膚效應將會大大減少，可避免導體的溫度升高。另外，由于導體中高頻諧波引起的渦流現象，會造成大量的能量損失。使用諧波保護器以后，可以很好地消除電流渦流，降低損耗。

6)諧波抵消電抗器。在涉及大電流時采用磁性方法治理諧波比有源濾波器有更低的成本。用磁場相互抵消方法解決諧波問題，沒有電容器，僅僅是磁性設計方案，因此具有很高的可靠性與使用壽命;對3次序列諧波，即3次諧波的奇數整數倍(如3，9，15，21，27)的治理，采用低的零序阻抗;對5，7，9，11，13等次諧波的治理采用相移辦法，對3次諧波有很低阻抗，能清除3次諧波和中性線對地電壓，它與負載并聯連接，安裝在配電柜內或豎井中，成本低，降低不平衡電流。

3 結語

20世紀80年代以來，利用功率開關的有源電力濾波器(APF)的研究越來越引起人們的關注，被認為是治理電網諧波的最有前途的方法。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得到廣泛運用。

近來，國外又提出了“用戶電力技術”(Custom Power Technology)這一解決諧波及無功功率問題的新概念，即使用電力電子技術提高供電可靠性并實現電能質量嚴格控制。用戶電力技術是將現代電力電子技術、自動控制技術和數字信號處理技術等高新技術結合，為用戶提供特定要求的電力供應的技術。將它運用于中、低配電系統，能有效地抑制諧波，補償無功功率，消除電壓波動和閃變、各相電壓不對稱，從而提高供電的安全性和可靠性。

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