楼宇配电系统有源滤波装置的应用

　　1、引言

　　近年来，各种现代化楼宇建筑向楼宇自动化方向迅速发展，这逐渐成为城市及国家发展的一个重要参照物。高层建筑楼宇自动化系统(设备自动化系统、办公自动化系统、通信自动化系统)中的大量自动化设备需要高质量的电源，但这些设备中相当一部分由于具有非线性负载特性，又成为引发低压供电系统谐波畸变的扰动源。这些谐波源对供电系统造成严重污染，使电能质量下降，不仅给楼宇中的电气设备、电子设备带来严重的危害甚至对整个楼宇智能化系统产生不良影响。

因此，分析引发办公楼宇供电中谐波畸变的各类谐波源，并针对谐波畸变的危害提出适宜的治理措施，对高层办公建筑中楼宇自动化系统的安全运行具有重要意义。

2、存在的问题

　　2.1 谐波来源

楼宇配电系统中的谐波主要来自两个方面：一是负载本身含有大量的谐波源，这些谐波源可以产生大量的谐波电流，通过线路阻抗，又可以致使系统电压中出现谐波电压;二是公用电网本身含有一定量的谐波电压，这部分谐波可以由网侧传输至配电系统。

楼宇配电系统中的负载有以下特征：

　　(1)单相负载多

　　楼宇配电系统中，单相负载占到一半以上，而单相负载可以引起零序谐波，并能造成三相不平衡以及三相相差不对称等问题。

　　(2)非线性负载比例高

　　楼宇配电系统中的主要设备有个人电脑、复印机、通讯设备、照明设备。部分楼宇配电系统中还会有UPS、一次电源等负载，这些负载都是楼宇配电系统中的主要谐波源。

　　(3)谐波源谐波畸变率大

　　据测试，楼宇配电系统中的谐波源的谐波畸变率都较大，如个人电脑谐波电流畸变率为100%，UPS畸变率约为20%-30%，一次电源谐波电流畸变率通常为40%-50%。

　　(4) 楼宇配电中的大多数智能化及自动化设备对供电电能质量要求较高，特别是对谐波敏感。

　　2.2 谐波危害

　　楼宇配电系统的谐波电压和谐波电流，对配电系统造成了极大的污染，不仅恶化了电网电能质量，并对各种用电设备也造成了一定的危害。谐波对楼宇配电系统的危害主要有两部分：

　　2.2.1对配电网络的危害

　　(1)使变压器产生附加功率损耗、发热量增加以及产生脉冲转矩和噪声;

　　(2)加速绝缘线缆老化、发热量增加、寿命缩短。严重时使系统短路，发生配电故障甚至造成人身伤害;

　　(3)对断路器、熔断器、继电器等各类保护设备产生干扰，使其误动作或者举动作。

　　2.2.2对用电设备的危害

　　(1)使照明设备缩短寿命，对白光光源的照明设备影响更大。美国IES照明手册明确指出，若谐波电压畸变率达到5%，则白炽灯寿命缩短47%;

　　(2)使电压表、电流表等各类电子测量设备测试误差增加;

　　(3)容易引发无功补偿设备的串联谐振或者并联谐振，引起电容器涨肚甚至爆炸、导致无功补偿设备无法投切、系统功率因数无法提高。

　　3 解决方案

　　目前的谐波治理设备主要有无源滤波器以及有源滤波器。传统的无源滤波器具有结构简单等优点，因此得到广泛的应用。但是随着各配电中心对电能质量要求的提高，无源滤波器的局限性也逐渐凸显。基于此，有源滤波器(Active Power Filter)由于其卓越的谐波补偿性能而被广泛应用。相较于传统的无源滤波器，有源滤波器主要有如下优势：

　　(1)动态补偿，并可同时对谐波、无功、三相不平衡进行补偿;

　　(2) 受电网阻抗影响小，能抑制电网谐振;

　　(3)补偿方式灵活，既可对特定的谐波源进行补偿也可以对多个谐波源进行补偿;

　　(4)可无限制过载，不会降低配电系统的稳定性。

　　4工程案例

　　某配电大楼因配电系统中存在大量谐波导致配电系统中线电流过大，电缆有发热现象并且变压器温度过高且噪声明显，因此希望通过安装有源滤波器进行谐波治理。该大楼部分配电如如图1所示：

　　图1 大厦部分配电图

　　在该配电系统中，选取如图标示部分进行电能质量测试，发现该处的电流已经发生明显畸变，如图2所示：

　　图2 1#测试点谐波电流波形

　　由图2可以看出：该测试点谐波电流已经发生畸变，尤其是波峰和波谷部分有明显的尖峰，这很有可能是有3次谐波含量较大引起的，这样的谐波波形因为有峰值电路变大以及变化率di/dt大的特点，对配电系统的危害也更为明显。

　　图3 1#测试点电压、电流频谱分析

　　由图3频谱图可以看出，该配电系统中含有较多的3次、5次、7次、9次、11次谐波。其中也是3次谐波尤为严重，而且3相不平衡严重引起中线电流过大、发热严重等现象。

　　基于以上情况，该大楼决定采用Sinexcel系列有源滤波器对系统谐波进行治理，盛弘电气针对该配电系统做出治理方案在系统总线处安装Sinexcel 050 APF 一台，对整个配电的谐波进行集中治理。具体方案如图4所示：

　　图4 大楼治理方案

　　经过治理，该配电中心的电能质量得到改善，具体波形及频谱图如下图所示：

　　图5 1#测试点治理后电流波形

　　图6 1#测试点治理后电流、电压频谱

　　由图5和图6可以看出，在应用Sinexcel有源滤波器之后，该大楼的配电中心不仅有效对谐波进行了治理，同时也治理了系统的三相不平衡。这样的治理效果，不仅消除了谐波对电网和设备的危害而且也消除了中线电流过大引发火灾的隐患。具体数据见表1所示：

　　表1 应用Sinexcel系列有源滤波器前后数据对比

　　5 总结

　　通过表1的实际数据对比，我们可以发现，在应用Sinexcel系列有源滤波器之后，系统的谐波得以有效的滤除并且三相不平衡度也大大减小。这就说明Sinexcel系列有源滤波器有效的解决了改配电中性的谐波问题，是楼宇配电中心谐波治理的首选解决方案。