樓宇配電系統(tǒng)的諧波和無功綜合治理問題及其新思路研究

邱 黎

（重慶市設(shè)計(jì)院，中國 重慶 400015）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中的自動(dòng)化、智能化設(shè)備應(yīng)用越來越普遍，對電能質(zhì)量提出了更高的要求。其一，樓宇BAS中由大量的電子設(shè)備及電氣設(shè)備諧波源產(chǎn)生的諧波對配電系統(tǒng)嚴(yán)重污染，隨著樓宇及智能小區(qū)迅速發(fā)展，若治理不力，這種污染愈來愈重，甚至成為公用電網(wǎng)的主要污染源。因此，綜合治理好樓宇的諧波和無功功率，對提高公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量有十分重要的意義；其二，綜合治理樓宇的諧波和無功功率，能提高樓宇配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，提高供電的安全性和可靠性，切實(shí)保證樓宇智能化系統(tǒng)等設(shè)備的安全正常運(yùn)行，提高樓宇的功能和效益。

1 諧波抑制方法及存在的問題

抑制諧波的方法有兩種，一是設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對各種諧波源都適用；另一種是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，而且功率因數(shù)接近為1。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償方式采用由LC組成的無源濾波器，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成。它具有結(jié)構(gòu)簡單，前期投資少，運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的運(yùn)用。但是LC濾波器存在一些難以解決的問題。

（1）只對設(shè)計(jì)要求規(guī)定頻率點(diǎn)的諧波濾波效果較好，對其它頻率諧波濾波效果不明顯。

（2）負(fù)載諧波電流過大時(shí)可能造成無源濾波器過載，損壞濾波器，造成事故。

（3）無源濾波器的濾波效果與系統(tǒng)的運(yùn)行狀況相關(guān)，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，難以保證濾波效果。

（4）對特殊的諧波或系統(tǒng)阻抗和頻率變化，可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振現(xiàn)象，造成電壓波形畸變和諧波電流放大，引起無源濾波器過壓過流，甚至損壞，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

近年來，有源電力濾波器取得了長足的發(fā)展，被認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波的最有前途的方法降。有源電力濾波器的基本原理是檢測出補(bǔ)償對象中諧波電流的大小，由有源電力濾波器產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流抵消諧波電流，使電網(wǎng)電流只含基波分量。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器能對變化的電網(wǎng)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗變化影響小，不存在諧波放大的危險(xiǎn)，儲(chǔ)能元件容量小。但是，有源電力濾波器的工業(yè)應(yīng)用尚處于初期階段，日本和美國已有此類產(chǎn)品投入實(shí)際運(yùn)行。我國還處于研制階段，有關(guān)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化實(shí)驗(yàn)階段，到目前為止，有源電力濾波器還未能在我國工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 無功功率補(bǔ)償方法及存在的問題

電網(wǎng)用戶中，不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件需要消耗無功功率，大多數(shù)負(fù)載也消耗無功功率。由于電網(wǎng)容量的增加，對電網(wǎng)無功的需求也越來越大，如果無功電源容量不足，系統(tǒng)運(yùn)行電壓將就難以得到保證。電網(wǎng)功率因數(shù)和電壓的降低使電氣設(shè)備得不到充分利用，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。因此，解決好供配電網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償問題，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行和降低電網(wǎng)損耗、節(jié)約能源有著重要意義。

（1）早期的無功功率補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無功功率，同時(shí)對變化的無功功率也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，損失較高，價(jià)格也比較貴。

（2）采用并聯(lián)電容器也能對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。在與同步調(diào)相機(jī)調(diào)節(jié)效果相近的情況下，并聯(lián)電容器方便靈活，而且費(fèi)用比同步調(diào)相機(jī)少得多。它的缺點(diǎn)是只能補(bǔ)償固定的無功功率，在系統(tǒng)有諧波的情況下，還可能發(fā)生并聯(lián)諧振，燒毀電容器。

（3）靜止無功補(bǔ)償裝置近年來發(fā)展很快，己被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器。晶閘管投切電容器也獲得了廣泛的應(yīng)用。它的特點(diǎn)是能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的無功功率，而且響應(yīng)速度快，也比同步調(diào)相機(jī)便宜。TCS只能分組投切，必須和TCR配合使用，才能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。TCS和TCR配合使用，進(jìn)行分相控制，還能平衡三相不對稱負(fù)載，對負(fù)序電流起到一定的抑制作用。其主要問題是因TCR裝置采用相控原理，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基波無功功率的同時(shí)，產(chǎn)生大量的諧波。

（4）靜止無功發(fā)生器是一種比SVC更先進(jìn)的無功功率補(bǔ)償器，通過不同的控制，既可使其發(fā)出無功功率，呈電容性，也可使其吸收無功功率，呈電感性。采用PWM控制時(shí)，可使輸入電流接近正弦波。但其只能補(bǔ)償無功功率，功能略顯單一。

3 樓宇配電系統(tǒng)諧波和無功綜合治理現(xiàn)狀及存在的問題

辦公樓宇中，一般很少有大容量的沖擊性負(fù)荷，因此對動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償要求不高。樓宇諧波和無功綜合治理方法是從用戶、配電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)三個(gè)從面統(tǒng)一、經(jīng)濟(jì)地處理。對于容量大的諧波源應(yīng)就近安裝濾波器，而對容量不大的諧波源可在系統(tǒng)母線上集中濾波；對于諧波限制不嚴(yán)格的用戶，使用無源濾波器治理諧波∶對于諧波限制嚴(yán)格的用戶，將無源濾波器和有源電力濾波器結(jié)合起來使用。

存在的主要問題∶其一，目前尚無樓宇電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國家頒布的和國際上有關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均不適用于樓宇；其二，很多樓宇用戶只重視無功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，不重視諧波治理。當(dāng)樓宇諧波負(fù)荷較大時(shí)，如果僅僅考慮無功補(bǔ)償，會(huì)造成諧波放大，使電容器無法投運(yùn)；其三，技術(shù)上尚缺能綜合治理樓宇低壓三相配電系統(tǒng)（380/220V）和低壓單相配電系統(tǒng)（220V）諧波和無功的電力電子裝置。目前，一種方法是采用UPS，這種裝置能保證用電設(shè)備的供電質(zhì)量，但大多數(shù)UPS本身是一諧波源，對配電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，并且UPS的造價(jià)高，不宜在樓宇中大力推廣。另一種方法是采用ABB公司生產(chǎn)的串聯(lián)型三次諧波濾波器THF，該裝置能有效解決低壓配電系統(tǒng)的三次諧波問題，但對其它高次諧波和無功功率的補(bǔ)償則無能為力，更不能解決三相配電系統(tǒng)的負(fù)序電流。

4 樓宇供電諧波和無功綜合治理新思路

成本的無源濾波器是目前廣泛采用的諧波和無功功率補(bǔ)償方法，但其濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行情況密切相關(guān)，特定情況下還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，并且其無功功率補(bǔ)償能力與公共連接點(diǎn)電壓的平方成正比關(guān)系，不能隨電壓變化而進(jìn)行有效補(bǔ)償。并聯(lián)型有源電力濾波器（APF）的補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，能對諧波和無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。但是，目前大容量的APF存在造價(jià)高、功耗大以及電磁干擾較大等問題，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制，而可使APF容量降低的混合補(bǔ)償方案可有效地解決APF存在的問題。

5 結(jié)束語

電能質(zhì)量綜合治理分析系統(tǒng)是一種節(jié)省投資的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能較好的補(bǔ)償措施，分析諧波狀態(tài)進(jìn)行綜合優(yōu)化補(bǔ)償方案制定。進(jìn)行大容量的動(dòng)態(tài)諧波和無功功率補(bǔ)償時(shí)，最大程度地降低有源濾波器的容量，不僅可降低裝置成本、減小損耗，而且可避免或減少大容量補(bǔ)償時(shí)開關(guān)元件串并聯(lián)所引起的問題。為樓宇供電諧波和無功的綜合補(bǔ)償提供一條新途徑。

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