大型商業(yè)中心的諧波分析和治理方案

金來(lái)娣　袁桂馨

摘要：隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，變頻空調(diào)、舞臺(tái)燈光照明、計(jì)算機(jī)、UPS、變頻電梯、LED顯示器等非線(xiàn)性設(shè)備被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于大型商業(yè)中心中，這些非線(xiàn)性設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染以及對(duì)電網(wǎng)中用電設(shè)備造成嚴(yán)重危害。合理、有效地評(píng)估系統(tǒng)中的諧波狀況并進(jìn)行相應(yīng)的諧波治理顯得越來(lái)越重要。

關(guān)鍵詞：大型商業(yè)中心、諧波、諧波治理

大型商業(yè)中心為適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)高品質(zhì)的需要以及隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的日新月異，相互滲透而持續(xù)地發(fā)展。大型商業(yè)中心中使用了大量的現(xiàn)代化用電設(shè)備和裝置如變頻空調(diào)、舞臺(tái)燈光照明、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、各種數(shù)碼辦公設(shè)備、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、金庫(kù)安防系統(tǒng)等，惡劣的諧波環(huán)境對(duì)保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全正常運(yùn)行造成了極大的威脅。

大型商業(yè)中心的設(shè)備如何產(chǎn)生諧波電流

大型商業(yè)中心的電力電子設(shè)備工作時(shí)，之所以產(chǎn)生諧波電流，是因?yàn)楦黝?lèi)電力電子設(shè)備輸入端的整流電路的阻抗不是一個(gè)定值，其阻抗隨著外加電壓的變化發(fā)生變化，這就導(dǎo)致整流器從電網(wǎng)吸取的電流不是正弦波電流，包含了諧波成份。產(chǎn)生諧波電流的負(fù)載稱(chēng)為非線(xiàn)性負(fù)載，與之對(duì)應(yīng)，不產(chǎn)生諧波電流的負(fù)載稱(chēng)為線(xiàn)性負(fù)載。

理想的電阻、電感和電容都是線(xiàn)性負(fù)載。但是實(shí)際的電感可能是非線(xiàn)性負(fù)載。

帶平滑電容的整流器是最常見(jiàn)的非線(xiàn)性負(fù)載，它產(chǎn)生的諧波電流與電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。整流器從電網(wǎng)吸取脈沖電流，每個(gè)交流電周期整流出的脈沖數(shù)稱(chēng)為這個(gè)整流器的脈數(shù)。整流器所產(chǎn)生的諧波的種類(lèi)與整流器脈數(shù)有關(guān)，具體關(guān)系如下：

M=P*n±1

式中：M=整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)，P=整流器的脈數(shù)，n取自然數(shù)。

因此，大型商業(yè)中心的設(shè)備的諧波電流是由各類(lèi)電力電子設(shè)備整流器輸入電路導(dǎo)致的。不同脈數(shù)的整流器產(chǎn)生的諧波不同，3相6脈的整流器產(chǎn)生的諧波電流以5次、7次、11次、13次為主。增加各類(lèi)電力電子設(shè)備輸入整流器的脈數(shù)可以減小諧波電流。

諧波電流導(dǎo)致的故障和危害

大型商業(yè)中心的設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流對(duì)于配電系統(tǒng)以及配電系統(tǒng)所供電的電子設(shè)備都是十分有害的，典型的危害如表1所示，這些危害中，有些是諧波電流直接導(dǎo)致的，有些危害是諧波電流產(chǎn)生諧波電壓導(dǎo)致的。

諧波電流導(dǎo)致的故障現(xiàn)象分為兩大類(lèi)，第一，導(dǎo)致電纜或變壓器過(guò)熱;第二，導(dǎo)致電網(wǎng)上的其他設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作或性能降低。無(wú)論哪類(lèi)故障現(xiàn)象，元兇都是諧波電流，過(guò)熱是由于電流直接導(dǎo)致的，干擾其他設(shè)備是由諧波電流產(chǎn)生諧波電壓后導(dǎo)致的。

1）判斷設(shè)備是否受到各類(lèi)電力電子設(shè)備諧波電流的影響，需要看諧波電壓畸變率，一般超過(guò)5%就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的誤動(dòng)作;

2）設(shè)備距離各類(lèi)電力電子設(shè)備越近，諧波電壓越大，越容易受到各類(lèi)電力電子設(shè)備諧波電流的干擾;

3） 電源越弱，例如小容量變壓器、發(fā)電機(jī)、UPS等，各類(lèi)電力電子設(shè)備的諧波電流干擾越強(qiáng);

4） 設(shè)備與變壓器之間的電纜越長(zhǎng)，設(shè)備越容易受到各類(lèi)電力電子設(shè)備諧波電流的干擾。諧波電流流過(guò)電源內(nèi)阻時(shí)產(chǎn)生的典型電壓畸變是電壓波形平頂。這種平頂電壓除了對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生直接干擾外，還對(duì)電子設(shè)備有隱性的危害和影響。

大型商業(yè)中心的設(shè)備對(duì)其他設(shè)備的影響是通過(guò)諧波電壓產(chǎn)生的。由于諧波電壓畸變率與電網(wǎng)阻抗相關(guān)，因此同一臺(tái)各類(lèi)電力電子設(shè)備在不同電網(wǎng)條件下的干擾是不同的。電源越弱（小容量變壓器、自備發(fā)電機(jī)、UPS），越容易發(fā)生干擾問(wèn)題。即使在同一個(gè)電網(wǎng)中，各類(lèi)電力電子設(shè)備對(duì)安裝在不同位置的同一個(gè)設(shè)備影響也不同，距離各類(lèi)電力電子設(shè)備越近，越容易發(fā)生干擾。

3、諧波的綜合治理

抑制措施可分為抑制諧波電流Ih和降低諧波阻抗 Xh，抑制諧波電流首先是對(duì)單個(gè)設(shè)備的，經(jīng)合成后可得系統(tǒng)的諧波電流，諧波阻抗是指系統(tǒng)而言的，如果采用這些措施之后仍然不滿(mǎn)足，最后才考慮采用裝設(shè)的電力濾波器。

3.1 抑制諧波電流的發(fā)射量? ??對(duì)于不同類(lèi)型的設(shè)備，抑制措施是不一樣的。? 3.1.1 移相調(diào)壓交流控制器

最大諧波電流值決定于負(fù)載的阻抗性質(zhì)R/Z和移相角的控制，這和要求的功率輸出有關(guān)，不是電氣工程設(shè)計(jì)者能決定的。如果可能的話(huà)，負(fù)載的接線(xiàn)盡量采用三相而且不引出中性線(xiàn)。?? 3.1.2?電流型諧波源?????提高整流的脈動(dòng)數(shù)是最主要的，三相橋是6脈動(dòng)，諧波電流從5次起，大功率整流器可采用12或更大脈動(dòng)數(shù)，則濾波電流至少?gòu)?1次起，按公式Ih=I1/h，諧波次數(shù)越高，諧波電流越小;要有一定的平滑度，即濾波電抗值要足夠大;保持電源電壓三相平衡和整流設(shè)備三相的結(jié)構(gòu)和性能的對(duì)稱(chēng)性，以避免出現(xiàn)非特征諧波。? ??如果有單獨(dú)的整流變壓器，而且經(jīng)濟(jì)上合算，則可將整流變的原邊電壓升級(jí)，由低壓升到中壓或高壓，這在降低諧波電流的同時(shí)又降低了系統(tǒng)的諧波阻抗。??3.1.3?電壓型諧波源（較大功率設(shè)備如變頻空調(diào)）?????諧波電流的大小和用電設(shè)備接電源點(diǎn)的系統(tǒng)短路功率成正相關(guān)關(guān)系。因此，減少諧波電流的首選實(shí)用辦法就是在變頻器交流側(cè)加一個(gè)交流電抗器，電抗值為4%左右，按筆者了解的情況，知名的國(guó)內(nèi)外變頻器生產(chǎn)廠中有些廠家已成套內(nèi)裝有電抗器，有些廠家說(shuō)明可按要求對(duì)電抗器成套供貨。增加線(xiàn)路電抗器后，除了能明顯降低諧波外，尚有一些其它好處，但也有副作用，如變頻器入口處的電壓損失增加，裝置的重量和造價(jià)增加。

日用電器主要包括計(jì)算機(jī)和電視機(jī)等，單相220V電源供電，因此將有三次諧波電流產(chǎn)生，并在中性線(xiàn)上將其合成，這是其特點(diǎn)，也是很困擾的問(wèn)題。好在無(wú)論 GB或IEC標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)單臺(tái)設(shè)備的諧波發(fā)射量作了限制（不分諧波產(chǎn)生的機(jī)理），產(chǎn)品如果獲得了“3C”認(rèn)證，則應(yīng)該遵從了有關(guān)GB的要求，即諧波的發(fā)射量在允許的范圍內(nèi)。單相的電壓型諧波源按理在交流電源輸入端加一電抗也應(yīng)可減少諧波電流，但這是產(chǎn)品自身的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.2?降低系統(tǒng)諧波阻抗? ???由于Uh=IhXh，Xh是指諧波電壓監(jiān)控點(diǎn)上游的系統(tǒng)電抗，因此系統(tǒng)短路功率愈大時(shí)，系統(tǒng)電抗X愈小，因?yàn)閄h與X是正相關(guān)的關(guān)系，雖然不是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，但是降低系統(tǒng)電抗不是輕而易舉的，除非有可能對(duì)單獨(dú)的整流變壓器原邊電壓升級(jí)。其次，從電學(xué)原理上來(lái)理解，并聯(lián)無(wú)源型（LC型）電力濾波器PPF，對(duì)指定的濾波而言是一個(gè)很低的諧波電抗和系統(tǒng)的諧波電抗并聯(lián)，降低了總諧波電抗，也就是濾波器的低的諧波阻抗吸引了大部分的諧波電流，使流過(guò)上游系統(tǒng)中的諧波電流大為減少。

3.3濾波器

3.3.1?濾波器的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)（1） 無(wú)源濾波器??以5次諧波的單調(diào)諧波濾波器為例，它由電感電容串聯(lián)后并聯(lián)在電網(wǎng)上，諧波為容抗，可用來(lái)補(bǔ)償無(wú)功，但事先要加以考慮，否則過(guò)補(bǔ)償會(huì)使母線(xiàn)電壓升高;有3次諧波，仍為容抗，3次諧波將通過(guò)此濾波器，因此必須并聯(lián)裝設(shè)3次諧波濾波器;對(duì)5次諧波為低阻抗，略有感性，5次諧波電流可大部分通過(guò);對(duì)7次及更高次諧波為大電抗，無(wú)濾波作用，電容，仍然有可能和系統(tǒng)的電抗對(duì)某次諧波構(gòu)成振蕩回路而放大電流;濾波器一旦制成，性能參數(shù)難以變動(dòng)，因此當(dāng)電網(wǎng)諧波阻抗降低時(shí)，濾波效果將隨之降低，當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)不變而諧波電流增加時(shí)，可能使濾波器過(guò)載。另一方面即使電網(wǎng)參數(shù)和諧波電流都不變，但由于溫度變化，濾波器部件老化和其它因素都會(huì)影響濾波器性能而降低效率。此外濾波器的電抗電容值通常也會(huì)有容差即偏離其標(biāo)準(zhǔn)值 ±10%而增加了失諧度，也會(huì)降低濾波效率，當(dāng)電網(wǎng)短路容量大（即電源阻抗?。r(shí)，則要求濾波器阻抗還要更小，即要求濾波器是精確調(diào)諧，但由于部件性能的容差和變動(dòng)使濾波器的設(shè)計(jì)有很大的困難;周波變流器輸入側(cè)諧波頻率成份復(fù)雜而且與輸出頻率有關(guān)。無(wú)源濾波器對(duì)此不能適應(yīng)，無(wú)源濾波器的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)、造價(jià)相對(duì)較低。

（2） 有源濾波器? 有源濾波器的核心部分為逆變器，它產(chǎn)生和系統(tǒng)中各次諧波大小相等，相位相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，從而凈化電網(wǎng)諧波。因此關(guān)鍵是按諧波電壓的相位產(chǎn)生一個(gè)和Ih·XFA壓降數(shù)值相等而方向相反的電勢(shì)EFA，理想狀態(tài)下有諧波電流通過(guò)濾波器而沒(méi)有電壓降。因此利用電力電子裝置，閉環(huán)控制EFA的大小，就能快速調(diào)節(jié)通過(guò)的諧波電流大小。由于有源濾波器利用數(shù)字閉環(huán)控制和電力電子裝置，則濾波控制功能可以很完善，如可以選擇濾去的諧波次數(shù)，最多可同時(shí)濾去20個(gè)諧波，可以選擇濾波程度的目標(biāo)值（絕對(duì)值或按比例），可以選擇有無(wú)無(wú)功補(bǔ)償功能等等。由于控制目標(biāo)值穩(wěn)定，且不受電網(wǎng)諧波阻抗變化的影響。也不會(huì)引發(fā)諧振;應(yīng)可以具備限幅功能，避免濾波器過(guò)載損壞;和LC型濾波器相比，價(jià)格較高。

3.4 諧波治理的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展，大型商業(yè)中心的電力電子設(shè)備的更大規(guī)模應(yīng)用，諧波已成為配電系統(tǒng)的一大隱患，抑制諧波成為建筑工程供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)不可缺少的重要內(nèi)容，需要我們不斷摸索規(guī)律、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從中找到最有效的防治方法。

針對(duì)智能建筑諧波治理的新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，要求工程設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真分析比較，對(duì)適用的各種產(chǎn)品有較全面的認(rèn)識(shí)，從中選擇最適合的方案和方法。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和逆變器等設(shè)備價(jià)格逐步走低，以有源濾波器為手段的諧波治理方案會(huì)越來(lái)越受歡迎。

結(jié)論

諧波抑制和治理都是為了減少諧波，而不是完全消除，每種方法和手段都不能完全消除諧波，供電系統(tǒng)的諧波大小完全可以通過(guò)儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取合理的措施和方案，可以獲得良好的效果。電氣設(shè)計(jì)人員最終的目的是針對(duì)不同的工程，選擇最合適的抑制治理辦法，既能夠減少業(yè)主的投資，又能將諧波的影響控制在最小的范圍。

參考文獻(xiàn)：

【1】中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 JGJ16-2008北京 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008