智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(shù)倍的電量，對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性皆有較大影響。智能建筑對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果有很高的要求，如何有效降低諧波是智能建筑電氣設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題?；诖?，本文結(jié)合理論實(shí)踐，在簡(jiǎn)要闡述智能建筑中電氣諧波特性的基礎(chǔ)上，分析了諧波造成的危害，并提出具體的治理措施，分析結(jié)果表明，合理有效的治理諧波，對(duì)提升智能建筑電氣系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量有非常重要的意義，值得設(shè)計(jì)單位高度重視。

關(guān)鍵詞：智能建筑;電氣設(shè)計(jì);諧波;阻抗

1? 引言

線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備分布及非線性設(shè)備在使用中都會(huì)形成大量諧波，此外，電源也會(huì)形成諧波電壓。在進(jìn)行多電源并網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，總電源電流會(huì)偏離正弦波，導(dǎo)致電氣線路、電氣設(shè)備在運(yùn)行中形成諧波，從而影響供電質(zhì)量，不利于智能建筑電氣系統(tǒng)作用和價(jià)值的發(fā)揮?；诖?，開(kāi)展智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(tǒng)中諧波的特性

2.1? 對(duì)稱(chēng)性

智能建筑電氣系統(tǒng)中，諧波存在奇偶對(duì)稱(chēng)的特性，簡(jiǎn)而言之，在傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)狀態(tài)下，不存在正弦項(xiàng)情況。

2.2? 獨(dú)立性

諧波出現(xiàn)在平衡電力系統(tǒng)中線性網(wǎng)格中時(shí)，單個(gè)諧波之和等于總諧波量，每個(gè)諧波都進(jìn)行獨(dú)立的分析和治理。

2.3? 相序性

正序諧波的規(guī)律為：基波之后是四次，四次之后是七次，以此類(lèi)推;負(fù)序諧的規(guī)律為：二次之后是五次，五次之后是八次，一次類(lèi)推。其中零序是3的整數(shù)倍。如果諧波出現(xiàn)在整個(gè)智能建筑電氣系統(tǒng)中，則無(wú)論該電氣系統(tǒng)是否處于平衡運(yùn)行狀態(tài)，都存在負(fù)序和零序電流。

3? 諧波對(duì)智能建筑電氣系統(tǒng)造成的危害

在理想狀態(tài)下，電氣系統(tǒng)在運(yùn)行中電源的頻率的固定不變，但很難達(dá)到這一目標(biāo)，無(wú)論是諧波電壓，還是諧波電流都會(huì)電氣系統(tǒng)造成不同程度的污染，從而惡化運(yùn)行環(huán)境，其造成的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1? 增加電費(fèi)

智能建筑中電氣系統(tǒng)中諧波產(chǎn)產(chǎn)生的功率多為無(wú)功功率，會(huì)降低電氣系統(tǒng)負(fù)荷能力，從而增加電力運(yùn)行成本。

3.2? 增加電氣設(shè)備運(yùn)行故障率

諧波會(huì)使供電電壓的波形發(fā)生變化，增加電磁設(shè)備鐵損率，絕緣材料所承受對(duì)地電壓也會(huì)增加。而諧波電流則會(huì)增加電磁設(shè)備的銅損率，如果情況嚴(yán)重，甚至?xí)纬奢^大的電磁噪聲，引發(fā)局部過(guò)熱問(wèn)題，縮短電氣設(shè)備使用壽命，也會(huì)增加斷電故障發(fā)生的概率。

3.3? 降低供電質(zhì)量

智能建筑電氣系統(tǒng)中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、整流變頻電子設(shè)備等，需要經(jīng)常性的移設(shè)安裝，如果操作不當(dāng)，會(huì)形成串并聯(lián)諧振狀態(tài)。在具體運(yùn)行中，一旦某一電氣設(shè)備或者運(yùn)行參數(shù)，對(duì)某一頻率的諧波形成振蕩，會(huì)導(dǎo)致諧波被放大，從而引發(fā)過(guò)電流、過(guò)電壓現(xiàn)象，影響整個(gè)電氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4? 智能建筑電氣設(shè)計(jì)中的諧波治理措施

4.1? 合理應(yīng)用無(wú)源濾波器和有源濾波器

在諧波治理中應(yīng)用無(wú)源濾波器的機(jī)理為改變電源阻抗，從而達(dá)到治理諧波的作用，比較使用運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、不頻繁改變電氣設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中;有源濾波器的機(jī)理為補(bǔ)償非線性負(fù)載，降低諧波對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響。

傳統(tǒng)建筑工程電氣設(shè)計(jì)中多采用無(wú)源濾波器來(lái)治理諧波，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)勢(shì)，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(wú)源濾波器，由濾波電容器、電抗器、電阻器等結(jié)構(gòu)共同組成，將LC濾波器和諧波源相互并聯(lián)，既能起到濾波的效果，也可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。但是容易發(fā)生過(guò)載問(wèn)題，一旦過(guò)載運(yùn)行，濾波器就會(huì)被燒損，并且無(wú)源濾波器無(wú)法有效控制，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，配件老化嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生改變，降低諧波治理效果。并且無(wú)源濾波器只能治理三次諧波，如果需要過(guò)濾不同的諧波，需要額外添加濾波器，增加設(shè)備投資。

智能建筑在電氣設(shè)計(jì)中多采用有源濾波器來(lái)治理諧波，對(duì)諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果不會(huì)受電氣系統(tǒng)阻抗的影響，在PWM控制技術(shù)持續(xù)發(fā)展，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論提出后，有源濾波器得到了飛速發(fā)展，其治理諧波的原理為：可從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，通過(guò)補(bǔ)償裝置，形成一個(gè)和該諧波電流大小相同，但極性相反的補(bǔ)償電流頻譜，以抵消諧波電流，促使電氣系統(tǒng)中運(yùn)行的電流只含有基波分量，整個(gè)諧波治理過(guò)程由DSP和IGBT來(lái)完成。

目前很多智能建筑在電氣設(shè)計(jì)中為降低諧波造成的影響，多采用有源濾波器和無(wú)源濾波器相互結(jié)合，互補(bǔ)混合使用的方法。既能充分發(fā)揮無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)，也可以克服有源濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，促使智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(tǒng)在運(yùn)行中，形成諧波的主要原因是采用了非線性負(fù)載，為更好的治理諧波，在電氣設(shè)計(jì)中要將負(fù)載供電線路和對(duì)諧波比較敏感的負(fù)載供電線路分離。但電氣系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，非線性負(fù)載引起的畸變電流，會(huì)在電纜阻抗上形成畸變電壓降，引發(fā)諧波電流在該線路上流過(guò)。因此，在智能建筑電氣設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(lái)降低諧波影響。但應(yīng)用實(shí)例表明，此種諧波治理措施，無(wú)法從根本上消除諧波，甚至不利于電氣系統(tǒng)保證特性和使用功能的提升，也會(huì)增大投資力度，增加電氣系統(tǒng)運(yùn)行中的安全隱患。為解決這一問(wèn)題，在電氣設(shè)計(jì)中，可將線性負(fù)載和費(fèi)線性負(fù)載，從相同電源電源接口處開(kāi)始，就分別設(shè)電路供電，通過(guò)此種設(shè)計(jì)方法，非線性負(fù)載形成的畸變電壓就無(wú)法傳輸?shù)骄€性負(fù)載上，從而有效治理諧波，保證電氣系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4.3? 合理應(yīng)用無(wú)諧波污染的綠色變頻器

合理應(yīng)用綠色變頻器是治理諧波的新型措施，主要機(jī)理為：綠色變頻器在運(yùn)行中，無(wú)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(shù)可控，可獲得任意可控輸出頻率，在內(nèi)部還設(shè)置了交流電抗器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的有效抑制。此外，通過(guò)綠色變頻器還能有效保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，大量應(yīng)用實(shí)例表明，在智能建筑電氣設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(yīng)用低諧波技術(shù)可歸納出以下內(nèi)容：第一，逆變單元在設(shè)計(jì)時(shí)要實(shí)現(xiàn)并聯(lián)多重化，通過(guò)2個(gè)或者多個(gè)逆變單元相互并聯(lián)，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(shè)計(jì)中，通過(guò)串聯(lián)多重化的方法，采用30脈沖串聯(lián)逆變單元，實(shí)現(xiàn)多重化線路設(shè)計(jì)，可將諧波減少到最低。

5? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，分析了智能建筑電氣設(shè)計(jì)中的諧波治理措施，分析結(jié)果表明，諧波是客觀存在的，幾乎無(wú)法從根本上得到解決，對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定性有較大影響。為降低諧波影響，可從合理應(yīng)用無(wú)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(yīng)用無(wú)諧波污染的綠色變頻器等方面同時(shí)入手，對(duì)諧波進(jìn)行有效治理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李秀珍，孫志城.諧波干擾下建筑電氣10kV低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017（10）：164～167.

[2] 馬震.插值FFT的諧波分析算法在智能電表中的應(yīng)用研究[J].科技視界，2017（15）：60.

[3] 熊小俊.低壓無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制產(chǎn)品應(yīng)用探討[J].智能建筑電氣技術(shù)，2019（2）：85～88.

[4] 劉水江，弓濤，畢書(shū)姣.電能質(zhì)量末端綜合治理在智能辦公建筑中的應(yīng)用[J]. 電氣應(yīng)用，2017（22）：89～94.

[5] 王清波，孫利文，韓小軒.煤礦電力系統(tǒng)諧波分析及治理[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（1）：60.