有源濾波器（APF）在商業(yè)建筑配電系統(tǒng)中的選型與應(yīng)用探討

朱必仁

摘要：有源濾波器（APF）是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量電能標(biāo)準(zhǔn)要求的重要手段，但是其投入較高。因此，恰當(dāng)?shù)倪x擇有源濾波器的容量，合理控制工程投入，是工程設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真對(duì)待的實(shí)際問(wèn)題。本文簡(jiǎn)要闡述了諧波產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)，總結(jié)了不同濾波模式下的選型原則，對(duì)低壓配電系統(tǒng)中有源濾波器（APF）的選型具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：有源濾波器（APF）；應(yīng)用；選型

1.諧波電流產(chǎn)生的原因

在供用電系統(tǒng)中，交流電壓和交流電流呈正弦波形。當(dāng)正弦波電壓施加在線性無(wú)源元件電阻、電感和電容上時(shí)，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也ǎ钦也娏髟陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā?duì)于非正弦波周期電壓、電流，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為大于基波頻率的分量為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率整數(shù)比。如調(diào)光設(shè)備、熒光燈、變頻空調(diào)、可控硅等均會(huì)產(chǎn)生多次諧波（本工程地下室采用LED照明；有大量風(fēng)機(jī)及變頻泵，單體內(nèi)有空調(diào)、電梯等設(shè)備）。

2.目前諧波容量的確定主要有以下兩種方法

2.1根據(jù)運(yùn)行環(huán)境確定容量法

根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)出下列諧波電流計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，可滿足工程設(shè)計(jì)要求。公式為經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算過(guò)程僅設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算，不設(shè)計(jì)量綱：

中等干擾，如節(jié)能燈、電腦、復(fù)印機(jī)、空調(diào)相對(duì)集中的辦公樓、燈光照明比較多的體育場(chǎng)和舞臺(tái)劇場(chǎng)、通信數(shù)據(jù)中心、銀行數(shù)據(jù)中心、電視演播中心、一般工廠等，補(bǔ)償系數(shù)選0.12～0.225。

強(qiáng)干擾的項(xiàng)目，如通訊基站、電弧爐、大型UPS設(shè)備、變頻器、焊接機(jī)、整流設(shè)備等工廠，補(bǔ)償系數(shù)選0.225～0.3。（特殊性的負(fù)載根據(jù)實(shí)際確定其補(bǔ)償系數(shù)）

2.2根據(jù)諧波負(fù)載確定容量法

根據(jù)不同類型的非線性負(fù)載的各自容量，以及負(fù)載的電流畸變率（THDI）確定各自所需補(bǔ)償電流的大小，疊加計(jì)算得出所需配置的A-APF的容量。

考慮到諧波估算誤差，后續(xù)也可以擴(kuò)容，因此一般實(shí)際容量配置建議按照總諧波測(cè)試值或計(jì)算值的1.2倍進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害

諧波對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，客觀存在對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害主要有：

3.1諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，大量的三次諧波電流流過(guò)中線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)；

3.2諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；

3.3諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)揩振和串聯(lián)揩振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故；

3.4諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不正確；

3.5諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者引起噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

4.現(xiàn)代商業(yè)建筑配電系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)

4.1現(xiàn)代商業(yè)建筑中采用的變頻設(shè)備

現(xiàn)代商業(yè)建筑中多采用6波頭變頻器。6波頭變頻設(shè)備產(chǎn)生的諧波主要以5、7次為主，11、13次為輔（更高次的諧波由于電流值較小，一般可忽略不計(jì)）。與單相設(shè)備相比，三相設(shè)備的單臺(tái)容量較大，因此，其產(chǎn)生的諧波畸變較大，對(duì)配電系統(tǒng)影響也較大，應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

4.2現(xiàn)代商業(yè)建筑中的單相設(shè)備

大部分辦公及照明設(shè)備為單相整流設(shè)備。單相整流設(shè)備主要產(chǎn)生3次諧波，容易在中性線集聚，此時(shí)，中性線諧波含量可達(dá)相線諧波的3倍。這些設(shè)備單臺(tái)功率不大，但由于其數(shù)量較多，總體負(fù)荷所占比重相對(duì)較大，因此，3次諧波的影響不可忽略，尤其在風(fēng)機(jī)、空調(diào)等大功率設(shè)備停運(yùn)的情況下。

4.3現(xiàn)代商業(yè)建筑負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)

（1）季節(jié)性：現(xiàn)代商業(yè)建筑中的空調(diào)設(shè)備一般具有季節(jié)性運(yùn)行的特點(diǎn)。

（2）時(shí)段性：商業(yè)、辦公設(shè)備主要集中在9：00～18：00或9：00～21：00范圍內(nèi)運(yùn)行，其他時(shí)段負(fù)荷較小。

4.4商業(yè)建筑負(fù)荷的容性特性

現(xiàn)代商業(yè)建筑中，一般采用電纜布線。長(zhǎng)距離電纜，其容性特征較明顯。現(xiàn)代商業(yè)建筑采用的照明設(shè)備都以帶有整流或節(jié)能功能的現(xiàn)代照明燈具為主，其功率因數(shù)都較高。因此，在大功率負(fù)荷停運(yùn)的情況下，系統(tǒng)整體可能出現(xiàn)功率因數(shù)高甚至過(guò)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。所以，在對(duì)現(xiàn)代商業(yè)建筑配電設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮 3、5、7 次諧波并存以及各次諧波具有季節(jié)性、時(shí)段性含量不同、影響不同的特點(diǎn)。同時(shí)，需兼顧功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波治理相結(jié)合。5商業(yè)建筑中的無(wú)源濾波及有源濾波應(yīng)用

現(xiàn)代商業(yè)建筑配電系統(tǒng)中，一般采用串接電抗器的無(wú)源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，一方面提升系統(tǒng)的功率因數(shù)，另一方面抑制系統(tǒng)中的主要次諧波。針對(duì)系統(tǒng)中3、5、7次諧波并存的情形，在配電設(shè)計(jì)中既可采用5.6%～7%電抗率抑制5、7次諧波的補(bǔ)償，也可采用12%～14%電抗率抑制3次諧波的補(bǔ)償，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中的設(shè)備情況綜合考慮。然而，串接5.5%～7%或12%～14%電抗率的無(wú)源濾波補(bǔ)償系統(tǒng)缺點(diǎn)如下：

（1）以無(wú)功補(bǔ)償為主、抑制諧波為輔，其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大。

（2）只能消除部分特定次數(shù)的諧波，而對(duì)某些次數(shù)的諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，易產(chǎn)生諧振。

（3）濾波要求與無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求難以同時(shí)兼顧。

（4）諧波電流增大時(shí)，可能造成無(wú)源濾波系統(tǒng)中元件設(shè)備過(guò)載。

若存在以上情況，可考慮采用無(wú)源濾波和有源濾波相結(jié)合的方式，既可有效濾除系統(tǒng)中的諧波，避免系統(tǒng)中諧波造成的危害，又能降低系統(tǒng)造價(jià)。有源濾波還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）濾波目標(biāo)可滿足系統(tǒng)諧波總含量<3%，一般情況下，無(wú)源濾波的最大諧波畸變率為10%。

（2）高濾波性能，對(duì)于2～51次諧波均能濾除，無(wú)源濾波無(wú)法具備此優(yōu)勢(shì)。

（3）可在系統(tǒng)功率因數(shù)較高甚至接近1的情況下使用。現(xiàn)代商業(yè)建筑中，某些情況下功率

因數(shù)較高，無(wú)源濾波此時(shí)無(wú)法投運(yùn)。有源濾波器的使用，可有效濾除系統(tǒng)中的諧波，避免諧波對(duì)樓宇自控、消防等設(shè)施的干擾和影響。

6.有源濾波器的選型

工程設(shè)計(jì)中，有源濾波器的使用一般有兩種模式，其各自的選型一般按照以下原則進(jìn)行。

6.1配電室集中濾波模式

該模式指在配電室集中采用一臺(tái)或多臺(tái)有源濾波器，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的諧波集中濾波，達(dá)到諧波治理的目標(biāo)，如圖1所示。該情況下，一般按照諧波源負(fù)載的總功率，計(jì)算出總的基波電流，按照基波電流的30%考慮諧波電流值，此諧波電流值即為有源濾波器選型的電流參考值。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，如設(shè)備不是同時(shí)投運(yùn)，則以同時(shí)投運(yùn)的最大負(fù)荷進(jìn)行考慮。總諧波電流確定后，一般選擇較大電流的有源濾波器，若一臺(tái)容量不夠，可多臺(tái)并聯(lián)使用。

圖1 集中濾波模式接線圖

如考慮經(jīng)濟(jì)性，則以諧波電流限值作為諧波治理目標(biāo)。此時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)短路容量，按照GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中對(duì)各次諧波電流的限值，計(jì)算出可不予濾除的各次諧波電流值，再計(jì)算總的諧波電流有效值。集中濾波模式下一般采用三相四線制有源濾波器。

6.2大型諧波源設(shè)備就地濾波模式

該模式指對(duì)大功率諧波源設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行就地濾波，如圖2所示。

圖2 就地濾波模式接線圖

就地濾波的優(yōu)點(diǎn)是：諧波就近被濾除，不對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生干擾；濾波方式靈活，濾波效果較好，但可能受安裝地點(diǎn)的影響。該情形下，按照諧波源設(shè)備的功率，計(jì)算其基波電流，根據(jù)其諧波特性，按照基波電流的20%～30%考慮諧波電流值。例如6波頭變頻設(shè)備，諧波電流值約為基波電流的30%，而12波頭設(shè)備，其總諧波電流約為基波電流的12%。針對(duì)設(shè)備的濾波，諧波電流值可能與設(shè)備選型表中的電流值不一致，此時(shí)可采取數(shù)值就近的原則選型。

一般情況下，根據(jù)設(shè)備是三相三線制，還是三相四線制，選擇對(duì)應(yīng)的有源濾波器。

7.結(jié)語(yǔ)

隨著電力電子設(shè)備的發(fā)展，有源濾波器正逐步在商業(yè)建筑中得到應(yīng)用。其應(yīng)用的原則既要考慮諧波電流的大小，還要考慮系統(tǒng)安全性的要求及整體造價(jià)與功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)合，同時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮設(shè)備的安裝位置。

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