電力有源濾波器在民用建筑的應(yīng)用

張環(huán)宇

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

非線性負(fù)載存在于供配電系統(tǒng)內(nèi)，它是形成諧波的根源。在過去的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，由中頻爐、電弧爐及直流電動機(jī)主導(dǎo)管控的生產(chǎn)線路上的裝置是形成諧波的主要設(shè)備類型。最近幾年，科學(xué)技術(shù)日新月異，推動了電力電子技術(shù)前進(jìn)的腳步，能形成諧波的設(shè)備類型也不斷增多，不再單一化。但是諧波設(shè)備在用于民用建筑中通信（移動、聯(lián)通及電信等）樞紐樓內(nèi)時(shí)，很多業(yè)主向有關(guān)部門反映電容器存在過熱、脹熱等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)電動機(jī)無緣由被燒損等情況，電力等主管部門逐漸加強(qiáng)了對這些問題的關(guān)注[1]。

1 有源濾波器原理

電力有源濾波器的構(gòu)成以電流運(yùn)算電路、補(bǔ)償電流發(fā)生電路為主，補(bǔ)償電流發(fā)生電路主要由電流跟蹤控制、驅(qū)動以及主電路等構(gòu)成。

指令電流運(yùn)算電路的功能：由負(fù)載電流（iL）內(nèi)分離出的基波無功與諧波電流，對諧波電流形成逆極效應(yīng)，隨即把補(bǔ)償電流指令信號傳導(dǎo)至外界環(huán)境中。

電流跟蹤控制電路的功能：依照指令電流運(yùn)算電路形成補(bǔ)償電流對應(yīng)的指令信號，測算出主電路中各功率開關(guān)器件對應(yīng)的PWM信號驅(qū)動主電路運(yùn)作過程，形成現(xiàn)實(shí)補(bǔ)償電流，故而此時(shí)電源電流（iS）內(nèi)僅含有基波電流有功分量，進(jìn)而達(dá)成抑制或解除電網(wǎng)內(nèi)的諧波電流和進(jìn)行無功功率代償?shù)哪繕?biāo)[1]。

綜上，實(shí)現(xiàn)對有源濾波器運(yùn)轉(zhuǎn)模式有效調(diào)控的關(guān)鍵點(diǎn)是運(yùn)算指令電流，等同于針對諧波電流、代償電流的生成過程予以追蹤處理。

2 工程概況

某民用建筑機(jī)房變電所主要由2臺SC10-1600kV/A 10kV/0.4kV（用備均各為一臺），2臺125kV/A UPS裝置及4臺250A開關(guān)電源構(gòu)成。各類設(shè)施的電流供應(yīng)形式均以低配放射為主，結(jié)合相關(guān)設(shè)備說明書發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)設(shè)濾波額定輸出電流值為450A，為實(shí)現(xiàn)對諧波的有效治理及調(diào)控，現(xiàn)擬定采用有源濾波器進(jìn)行，單位柜體規(guī)格為800mm×600mm×2200mm。

結(jié)合工程現(xiàn)場勘查資料發(fā)現(xiàn)，該變電所內(nèi)其他類型設(shè)備設(shè)施裝設(shè)作業(yè)均已竣工完成，并沒有發(fā)現(xiàn)預(yù)留縫隙。鑒于以上工況，相關(guān)人員決定把有源濾波器的安裝位點(diǎn)設(shè)定在總進(jìn)線柜后一柱子側(cè)面，并盡量和墻落地相臨近。為更全面地收集電流信號，決定把采集位點(diǎn)不設(shè)在電流互感器位置，總進(jìn)線開關(guān)的下樁頭為濾波器電源輸注點(diǎn)[2]。

3 電力有源濾波器在民用建筑中的具體應(yīng)用

3.1 科學(xué)擬定諧波治理目標(biāo)

在該建筑工程中，電力及有關(guān)部門形成合力作用，共同檢測諧波治理工作質(zhì)量，以《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開展該項(xiàng)工作，在設(shè)計(jì)諧波治理方案前期，務(wù)必設(shè)定準(zhǔn)確的治理目標(biāo)值。

3.2 確定諧波電壓、電流治理目標(biāo)值

（1）電壓。有關(guān)文件中針對公用電網(wǎng)諧波電壓值作出明確限定：當(dāng)電壓為0.38kV時(shí)，電壓總諧波畸變率以及奇、偶數(shù)各次諧波電壓含油率依次為5.0%、4.0%、2.0%；當(dāng)電壓為10kV時(shí)，以上3項(xiàng)指標(biāo)分別為4.0%、3.2%、1.6%；當(dāng)電壓為66kV時(shí)，上述指標(biāo)對應(yīng)值依次為3.0%、2.4%、1.2%。從宏觀角度分析，在設(shè)定諧波電壓時(shí)，始終要把電壓總諧波畸變率設(shè)為參照值，在諧波電壓治理期間，設(shè)定的目標(biāo)值均要低于如上所涉及的數(shù)值。

（2）電流。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，注入公共銜接點(diǎn)的諧波電流許可值如表1所示。

表1 公共連接點(diǎn)的諧波電流對應(yīng)的許可值

諧波電流以用戶能夠輸注至公共銜接點(diǎn)的諧波電流許可值為標(biāo)準(zhǔn)，依照國家標(biāo)準(zhǔn)注入公用連接點(diǎn)的諧波電流允許值[3]。針對某10kV的進(jìn)線用戶、基準(zhǔn)短路容量為100MV·A時(shí)，輸注公共銜接點(diǎn)的諧波頻次為2、3、4、5、6、7、8、9、10時(shí)，對應(yīng)的許可值依次是26A、20A、13A、20A、8.5A、15A、6.4A、6.8A、5.1A。

3.3 確定諧波源

針對通信機(jī)房大樓形成的諧波治理，文章針對幾種形成諧波的設(shè)備裝置，利用FLUKER43B檢驗(yàn)其UPS和開關(guān)電源，具體檢測信息有以下兩個(gè)方面。

（1）UPS的檢測結(jié)果：分析測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)UPS會生成5、7、11、13、19、25、29、37及41次諧波，尤其是五次諧波是基波電流的30.1%，電壓畸變率對應(yīng)值是4.1%，電流波形與正弦波兩者形成較大距離。

（2）開關(guān)電源的檢測結(jié)果：開關(guān)電源檢測會形成5、7、11、19、23、29、21、37、43及49次諧波，五次諧波在基波電流中占有率為36.4%，電壓畸變率對應(yīng)的指標(biāo)是3.4%，電流波形與正弦波相比較，兩者存在較明顯差異。

3.4 計(jì)算諧波電流

式中：K為濾波器的余量系數(shù)，通常依照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值，區(qū)間為1.1～1.5；THDF為治理目標(biāo)的電流總諧波畸變率；ηF為治理目標(biāo)對應(yīng)的最大負(fù)載率，%；ηC是檢測數(shù)據(jù)的負(fù)載率，%。THDi與Irms對應(yīng)的數(shù)值均可以由現(xiàn)場檢測作業(yè)中獲得。

3.5 有源濾波器的類型

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)有源濾波器主要包括兩個(gè)類型：三相三線有源濾波器與三相四線有源濾波器。若在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)需濾除三次諧波則建議選用類型三相四線有源濾波器，反之則選擇類型三相三線有源濾波器。

3.6 有源濾波器的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制

有源濾波器的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制主要在電流互感器的協(xié)助下，檢測電流信號并詳實(shí)錄入有關(guān)信息，針對諧波要嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范分離處理后進(jìn)行計(jì)算，這樣濾波器就會順利產(chǎn)出一個(gè)與諧波電流幅值一致、相位相反的電流，將其輸導(dǎo)到系統(tǒng)線路中，能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中諧波電流的有效抵消。

3.7 有源濾波器的作用

有源濾波器的作用主要是在相同時(shí)間位點(diǎn)上將重復(fù)出現(xiàn)的濾波實(shí)施濾除處理，在濾波器體積充足的工況下，其就達(dá)成自我適應(yīng)的目標(biāo)，可以在2～50次諧波中篩選出事前擬定的濾波頻次，設(shè)定濾波先后次序。

3.8 有源濾波器的接線

（1）信號：在諧波治理實(shí)踐中，需要把電流互感器的電流信號牽引到濾波器的接線端子，通常在6根信號線協(xié)助下就能達(dá)成，比如KVV-16×2.5。

（2）輸注電源：在理想的工況下，濾波器的接線端子和系統(tǒng)線路相互銜接，三相四線、三相三線的電源線分別是五芯電纜、四芯電纜，在具體選擇實(shí)踐中，建議參照載流量高于濾波器濾波額定輸出電流的規(guī)則。比如，對于100A的三相四線有源濾波器而言，在現(xiàn)實(shí)安裝中，其可以選用YJV4×50+1×25的電纜設(shè)施。

3.9 檢測數(shù)據(jù)

濾波前后數(shù)據(jù)對比分析如表2所示[2]。

表2 濾波前后數(shù)據(jù)檢測情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)有源濾波器的濾波功率處于較高水平，高于97.0%，濾波后的電壓、電流波形是很完整的正弦波；在增加負(fù)載情況下，總電流量有較明顯的降幅，一方面實(shí)現(xiàn)有效濾波，另一方面也取得了良好的節(jié)能效果。和工業(yè)設(shè)備設(shè)施相比，民用建筑設(shè)備形成的諧波頻次更具廣泛性，部分情況下諧波頻次能達(dá)到49次，若采用無源濾波器，則難以實(shí)現(xiàn)有效治理。故而在設(shè)定治理目標(biāo)值后，以合理規(guī)劃測算濾波容量為支撐，選擇適宜的有源濾波器具有很大現(xiàn)實(shí)意義，不僅諧波治理效率高，而且節(jié)能效果優(yōu)良，為有源濾波器在建筑領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。