文化藝術中心大劇院電能質量分析及其治理

王 建 遲恩先 葛方甫

（山東華天電氣有限公司，濟南 250101）

山東省會文化藝術中心作為“十藝節”的主場館，包括大劇院、圖書館、美術館、群眾藝術館以及劇團、書城、影城等文化事業和文化產業配套項目。其中大劇院大約7.5 萬m2，包含1500 座音樂廳、1800 座的歌劇廳、500 座的多功能廳及排練廳和其它輔助設施，是一座多種表演藝術形式演出的綜合性文化藝術中心。建筑智能化、自動化程度高，特別在演出時人員密度高場所，對于用電的安全性要求高，大劇院建筑內主要用電設備，以單相設備為主，包括音響、燈光、空調、照明燈、UPS 電源等， 非線性負荷集中，工作時產生大量的諧波電流，相控整流設備負載功率因數低，在整個配電系統及變壓器產生大量的諧波及無功損耗，導致配電系統過熱，造成火災事故等安全隱患，降低了系統的安全運行。

1 大劇院配電負載特性及危害

大劇院內的負載不同于普通的寫字樓，主要以舞臺設備和舞臺燈光、各種音響為主，這類設備為可控硅調光設備，在單相燈光開通時，所對應相電壓被拉低，其他兩相電壓瞬間提高。燈光明暗調節是通過控制可控硅導通角的大小來實現的，導通角越小，諧波畸變越厲害，由于要不斷的調節燈光的明暗和投入燈光的數量，所以系統中諧波含量也是不斷變化的，諧波含量基本在30%～100%變化，如圖1所示。可控硅調光設備工作在不同狀態時，真個系統的諧波含量和系統功率因數不同。負載沖擊造成電壓波動。

以可控硅為主的單相相控整流燈光設備，在整個配電系統中造成系統諧波含量高，功率因數低，三相負載有功不平衡。對用電設備及整個配電系統影響較大。

圖1 可控硅調光設備工作時電壓電流情況

1）藝術中心內部有很多重要的設備，如舞臺機械電子調控設備、電視轉播與通訊設備、調光設備等，對供電的可靠性，安全性，抗干擾性要求高，需要良好的供電環境。大量的諧波造成其電能質量干擾，導致通訊異常失靈，聲音與圖形失真等，如舞臺燈光的可控硅調光系統，會因為諧波原因導致其開關時電壓應力高而損壞。

2）配電系統中由于單相負載較多，導致零序諧波電流大，造成三相四線制系統的中線過載，變壓器一般采用星三角接法，在變壓器三角形接法側變壓器繞組內產生環流，造成變壓器繞組過流，同時變壓器中線過載，嚴重時甚至引發事故。

3）增加電力設施負荷，降低系統功率因數，降低用電設備的有效容量和效率，造成設備浪費、線路浪費和電能損失；使用電設備加速絕緣老化。引起繼電器等控制器件誤動作，使保護裝置工作紊亂。諧波電流會對無功補償電容器造成諧振和諧波電流放大，導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行。

2 大劇院配電電能質量治理的措施

針對大劇院配電系統的特點，諧波源主要為各種燈光設備，其單相負載多，三相負載不平衡， 功率因數較低等問題，需要對其進行綜合治理，采用一套補償設備解決上述問題，消除系統的電能質量問題。采用山東華天電氣 有源電力濾波器，它是新一代電能質量綜合治理設備，集合有源電力濾波器，無功補償和三相不平衡校正等功能于一體。

華天有源電力濾波器是采用現代電力電子技術和基于高速DSP 器件的數字信號處理技術制成的新型電能質量綜合治理專用設備，它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP），同時根據系統的三相電壓信號對電壓、電流信號進行處理，將諧波與基波分離，無功功率及三相有功分別計算，并以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，驅動IGBT 或IPM 功率模塊，生成與諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波，同時產生所需的無功功率及需要平衡的有功功率。從而實現對電力諧波、無功和三相不平衡校正的動態、快速、徹底治理，原理圖如圖2所示。

圖2 APF 工作原理

3 應用實例

以省會文化中心大劇院的歌劇廳電能綜合治理為例，由于單臺設備容量小，且負載分散，綜合考慮性價比，在配電使進行集中治理，解決電能質量問題，為整個配電系統營造一個綠色、安全的供用電環境。

1）配電系統主要參數

主要負荷：可控硅調光燈。

負載類型：單相整流性負載

諧波特征次：3 次、5 次、7 次為主，同時含有9 次、11 次、13 次、15 次、17 次等高次諧波。

補償容量：在配電室安裝100A 有源電力濾波器。

2）歌劇廳配電電能質量綜合治理前后數據比較（如圖3）

3）數據分析評價

（1）補償前后主要數據比較如表1所示，以B相為例。

表1

圖3 補償設備工作前后情況

（2）從電能質量治理前后波形和數據可以看出，整個配電系統電能質量得到明顯的改善，有效降低了系統由于諧波導致的電壓上升，延長了用電設備的使用壽命，避免因電壓過高燒毀電器設備的問題，電力諧波得到了很好的抑制，使配電系統的電流總諧波畸變率THD由原來的21.2%降為4.2%，滿足國標GB/T14549-1993 的要求。總諧波電流減小了91A；同時對系統中存在的大量基波無功和諧波無功進行了補償和治理，配電系統的效率得到提高，功率因數PF由0.97 提高到0.99。視在功率和無功功率顯著降低。

提高了設備的利用率，降低了線路及變壓器的發熱損耗。

4 結論

通過對省會文化藝術中心大劇院配電系統電能質量綜合治理后，提高了配電內各用電設備的運行質量與可靠性，降低配電變壓器鐵損和雜散損耗，提高了配電系統的效率；同時解決由于大量的諧波電流導致視在功率增加，功率因數降低，配電變壓器負荷加重、損耗增加并導致局部過熱，配電線路額外發熱、線損增加等一系列電能質量問題。其次減少了無功功率降低線路功率損耗，增加電網的傳輸能力、提高電源設備利用率，減小電源設備容量，改善電網電壓質量。平衡三相負載，使相間功率一致，降低由于三相不平衡引起相間偏壓、造成環流損耗等問題。避免使設備運行更可靠、更安全、更節能。