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）是實現(xiàn)高質(zhì)量電能標準要求的重要手段，但是其投入較高。因此，恰當?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)計人員需要認真對待的實際問題。本文簡要闡述了諧波產(chǎn)生的原因和特點，總結(jié)了不同濾波模式下的選型原則，對低壓配電系統(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。當正弦波電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上時，仍為同頻率的正弦波。但當正弦波電壓施加在非線性電路時，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，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。對于非正弦波周期電壓、電流，可分解為傅里葉級數(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)、可控硅等均會產(chǎn)生多次諧波（本工程地下室采用LED照明；有大量風機及變頻泵，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)運行環(huán)境確定容量法

根據(jù)多年的運行經(jīng)驗，推導(dǎo)出下列諧波電流計算經(jīng)驗公式，可滿足工程設(shè)計要求。公式為經(jīng)驗公式，計算過程僅設(shè)計數(shù)值計算，不設(shè)計量綱：

中等干擾，如節(jié)能燈、電腦、復(fù)印機、空調(diào)相對集中的辦公樓、燈光照明比較多的體育場和舞臺劇場、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，補償系數(shù)選0.12～0.225。

強干擾的項目，如通訊基站、電弧爐、大型UPS設(shè)備、變頻器、焊接機、整流設(shè)備等工廠，補償系數(shù)選0.225～0.3。（特殊性的負載根據(jù)實際確定其補償系數(shù)）

2.2根據(jù)諧波負載確定容量法

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

考慮到諧波估算誤差，后續(xù)也可以擴容，因此一般實際容量配置建議按照總諧波測試值或計算值的1.2倍進行設(shè)計。

3.諧波對電力系統(tǒng)的危害

諧波對公用電網(wǎng)是一種污染，客觀存在對公用電網(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中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；

3.2諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電動機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；

3.3諧波會引起公用電網(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，甚至引起嚴重事故；

3.4諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不正確；

3.5諧波會對鄰近的通信系統(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)無法正常工作。

4.現(xiàn)代商業(yè)建筑配電系統(tǒng)的諧波特點

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）。與單相設(shè)備相比，三相設(shè)備的單臺容量較大，因此，其產(chǎn)生的諧波畸變較大，對配電系統(tǒng)影響也較大，應(yīng)予以重點考慮。

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，中性線諧波含量可達相線諧波的3倍。這些設(shè)備單臺功率不大，但由于其數(shù)量較多，總體負荷所占比重相對較大，因此，3次諧波的影響不可忽略，尤其在風機、空調(diào)等大功率設(shè)備停運的情況下。

4.3現(xiàn)代商業(yè)建筑負荷的運行特點

（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)性運行的特點。

（2）時段性：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)運行，其他時段負荷較小。

4.4商業(yè)建筑負荷的容性特性

現(xiàn)代商業(yè)建筑中，一般采用電纜布線。長距離電纜，其容性特征較明顯?，F(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，在大功率負荷停運的情況下，系統(tǒng)整體可能出現(xiàn)功率因數(shù)高甚至過補償?shù)奶攸c。所以，在對現(xiàn)代商業(yè)建筑配電設(shè)計時，要重點考慮 3、5、7 次諧波并存以及各次諧波具有季節(jié)性、時段性含量不同、影響不同的特點。同時，需兼顧功率因數(shù)補償和諧波治理相結(jié)合。5商業(yè)建筑中的無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源濾波補償系統(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。針對系統(tǒng)中3、5、7次諧波并存的情形，在配電設(shè)計中既可采用5.6%～7%電抗率抑制5、7次諧波的補償，也可采用12%～14%電抗率抑制3次諧波的補償，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%電抗率的無源濾波補償系統(tǒng)缺點如下：

（1）以無功補償為主、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，而對某些次數(shù)的諧波會產(chǎn)生放大作用，易產(chǎn)生諧振。

（3）濾波要求與無功補償、調(diào)壓要求難以同時兼顧。

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

若存在以上情況，可考慮采用無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。有源濾波還具有以下優(yōu)點：

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

（2）高濾波性能，對于2～51次諧波均能濾除，無源濾波無法具備此優(yōu)勢。

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

因數(shù)較高，無源濾波此時無法投運。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或多臺有源濾波器，對系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的諧波集中濾波，達到諧波治理的目標，如圖1所示。該情況下，一般按照諧波源負載的總功率，計算出總的基波電流，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)備的運行情況進行調(diào)整，如設(shè)備不是同時投運，則以同時投運的最大負荷進行考慮?？傊C波電流確定后，一般選擇較大電流的有源濾波器，若一臺容量不夠，可多臺并聯(lián)使用。

圖1 集中濾波模式接線圖

如考慮經(jīng)濟性，則以諧波電流限值作為諧波治理目標。此時需要根據(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》中對各次諧波電流的限值，計算出可不予濾除的各次諧波電流值，再計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

該模式指對大功率諧波源設(shè)備單獨進行就地濾波，如圖2所示。

圖2 就地濾波模式接線圖

就地濾波的優(yōu)點是：諧波就近被濾除，不對系統(tǒng)及設(shè)備產(chǎn)生干擾；濾波方式靈活，濾波效果較好，但可能受安裝地點的影響。該情形下，按照諧波源設(shè)備的功率，計算其基波電流，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，選擇對應(yīng)的有源濾波器。

7.結(jié)語

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與功率因數(shù)補償?shù)慕Y(jié)合，同時需要根據(jù)現(xiàn)場情況，考慮設(shè)備的安裝位置。

參考文獻：

[1]朱海燕，韋忠善.RC有源濾波器的計算機輔助設(shè)計[J].廣西職業(yè)技術(shù)學院學報，2011（04）

[2]苗匯靜，孫桂華，王立新.通用有源濾波器設(shè)計[J].電子器件，2012（05）