智能建筑電氣設計中的諧波治理措施

譚艷面

摘? ? 要：諧波指的是電路中含有頻率為基波整數倍的電量，對電氣系統運行的穩定性、安全性皆有較大影響。智能建筑對電氣系統設計效果有很高的要求，如何有效降低諧波是智能建筑電氣設計中亟待解決的問題。基于此，本文結合理論實踐，在簡要闡述智能建筑中電氣諧波特性的基礎上，分析了諧波造成的危害，并提出具體的治理措施，分析結果表明，合理有效的治理諧波，對提升智能建筑電氣系統運行質量有非常重要的意義，值得設計單位高度重視。

關鍵詞：智能建筑;電氣設計;諧波;阻抗

1? 引言

線路結構設計、電氣設備分布及非線性設備在使用中都會形成大量諧波，此外，電源也會形成諧波電壓。在進行多電源并網設計時，總電源電流會偏離正弦波，導致電氣線路、電氣設備在運行中形成諧波，從而影響供電質量，不利于智能建筑電氣系統作用和價值的發揮。基于此，開展智能建筑電氣設計中的諧波治理措施的研究就顯得尤為必要。

2? 智能建筑電氣系統中諧波的特性

2.1? 對稱性

智能建筑電氣系統中，諧波存在奇偶對稱的特性，簡而言之，在傅里葉級數展開狀態下，不存在正弦項情況。

2.2? 獨立性

諧波出現在平衡電力系統中線性網格中時，單個諧波之和等于總諧波量，每個諧波都進行獨立的分析和治理。

2.3? 相序性

正序諧波的規律為：基波之后是四次，四次之后是七次，以此類推;負序諧的規律為：二次之后是五次，五次之后是八次，一次類推。其中零序是3的整數倍。如果諧波出現在整個智能建筑電氣系統中，則無論該電氣系統是否處于平衡運行狀態，都存在負序和零序電流。

3? 諧波對智能建筑電氣系統造成的危害

在理想狀態下，電氣系統在運行中電源的頻率的固定不變，但很難達到這一目標，無論是諧波電壓，還是諧波電流都會電氣系統造成不同程度的污染，從而惡化運行環境，其造成的危害主要體現在以下幾個方面。

3.1? 增加電費

智能建筑中電氣系統中諧波產產生的功率多為無功功率，會降低電氣系統負荷能力，從而增加電力運行成本。

3.2? 增加電氣設備運行故障率

諧波會使供電電壓的波形發生變化，增加電磁設備鐵損率，絕緣材料所承受對地電壓也會增加。而諧波電流則會增加電磁設備的銅損率，如果情況嚴重，甚至會形成較大的電磁噪聲，引發局部過熱問題，縮短電氣設備使用壽命，也會增加斷電故障發生的概率。

3.3? 降低供電質量

智能建筑電氣系統中的變壓器、電動機、整流變頻電子設備等，需要經常性的移設安裝，如果操作不當，會形成串并聯諧振狀態。在具體運行中，一旦某一電氣設備或者運行參數，對某一頻率的諧波形成振蕩，會導致諧波被放大，從而引發過電流、過電壓現象，影響整個電氣系統安全穩定運行。

4? 智能建筑電氣設計中的諧波治理措施

4.1? 合理應用無源濾波器和有源濾波器

在諧波治理中應用無源濾波器的機理為改變電源阻抗，從而達到治理諧波的作用，比較使用運行狀態相對穩定、不頻繁改變電氣設備的電氣系統設計中;有源濾波器的機理為補償非線性負載，降低諧波對整個電氣系統穩定運行造成的影響。

傳統建筑工程電氣設計中多采用無源濾波器來治理諧波，具有結構簡單、成本低、運行安全可靠的優勢，至今也是治理諧波的主要措施。比如：LC濾波器就是典型的無源濾波器，由濾波電容器、電抗器、電阻器等結構共同組成，將LC濾波器和諧波源相互并聯，既能起到濾波的效果，也可以進行無功補償。但是容易發生過載問題，一旦過載運行，濾波器就會被燒損，并且無源濾波器無法有效控制，隨著運行時間的增加，配件老化嚴重，會導致諧振頻率發生改變，降低諧波治理效果。并且無源濾波器只能治理三次諧波，如果需要過濾不同的諧波，需要額外添加濾波器，增加設備投資。

智能建筑在電氣設計中多采用有源濾波器來治理諧波，對諧波進行跟蹤補償，并且補償效果不會受電氣系統阻抗的影響，在PWM控制技術持續發展，基于瞬時無功功率理論提出后，有源濾波器得到了飛速發展，其治理諧波的原理為：可從補償對象中檢測出諧波電流，通過補償裝置，形成一個和該諧波電流大小相同，但極性相反的補償電流頻譜，以抵消諧波電流，促使電氣系統中運行的電流只含有基波分量，整個諧波治理過程由DSP和IGBT來完成。

目前很多智能建筑在電氣設計中為降低諧波造成的影響，多采用有源濾波器和無源濾波器相互結合，互補混合使用的方法。既能充分發揮無源濾波器結構簡單、成本低的優勢，也可以克服有源濾波器容量大、成本高的缺點，促使智能建筑電氣設計具有更好的性能。

4.2? 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

智能建筑電氣系統在運行中，形成諧波的主要原因是采用了非線性負載，為更好的治理諧波，在電氣設計中要將負載供電線路和對諧波比較敏感的負載供電線路分離。但電氣系統在正常運行中，非線性負載引起的畸變電流，會在電纜阻抗上形成畸變電壓降，引發諧波電流在該線路上流過。因此，在智能建筑電氣設計中合理加大電纜截面面積，并減少回路中的阻抗，也治理諧波影響的主要措施。目前很多設計方，都選擇提升變壓器容容量、增加電纜截面積，以及選擇整定值比較大的斷路器來降低諧波影響。但應用實例表明，此種諧波治理措施，無法從根本上消除諧波，甚至不利于電氣系統保證特性和使用功能的提升，也會增大投資力度，增加電氣系統運行中的安全隱患。為解決這一問題，在電氣設計中，可將線性負載和費線性負載，從相同電源電源接口處開始，就分別設電路供電，通過此種設計方法，非線性負載形成的畸變電壓就無法傳輸到線性負載上，從而有效治理諧波，保證電氣系統運行的穩定性和安全性。

4.3? 合理應用無諧波污染的綠色變頻器

合理應用綠色變頻器是治理諧波的新型措施，主要機理為：綠色變頻器在運行中，無論是輸入電流，還是輸出電流都是正弦波形式， 并且輸入功率因數可控，可獲得任意可控輸出頻率，在內部還設置了交流電抗器，從而實現對諧波的有效抑制。此外，通過綠色變頻器還能有效保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，大量應用實例表明，在智能建筑電氣設計中，應用不帶減抗器的諧波電流，明顯高于是帶減抗器形成的諧波電流，因此，為更好的減少諧波污染，需要在變頻器輸出回路中合理安裝噪聲濾波器。變頻器中應用低諧波技術可歸納出以下內容：第一，逆變單元在設計時要實現并聯多重化，通過2個或者多個逆變單元相互并聯，促使波形相互疊加，以消除諧波分量。第二，在PWM變頻器中，要盡量采用121脈沖、18脈沖的整流，以降低諧波形成量。第三，在逆變單元設計中，通過串聯多重化的方法，采用30脈沖串聯逆變單元，實現多重化線路設計，可將諧波減少到最低。

5? 結束語

綜上所述，本文結合理論實踐，分析了智能建筑電氣設計中的諧波治理措施，分析結果表明，諧波是客觀存在的，幾乎無法從根本上得到解決，對整個電氣系統運行安全、穩定性有較大影響。為降低諧波影響，可從合理應用無源濾波器和有源濾波器、減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法、合理應用無諧波污染的綠色變頻器等方面同時入手，對諧波進行有效治理。

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