現(xiàn)代建筑諧波分析及其低壓配電系統(tǒng)中的諧波治理方法

李叢 / 李智 (深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司，廣東 深圳 518054)

摘要介紹了現(xiàn)代建筑內(nèi)諧波的來源、危害、相關(guān)的諧波標(biāo)準(zhǔn)以及通過使用有源電力濾波器進(jìn)行治理后的效果評估，闡述有源濾波器在民用建筑低壓配電中的應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞非線性負(fù)載 諧波 有源濾波器

AbstractThe sources，hazards and related standards of harmonics in civil construction, and the governance effect assessment through the use of active power filter are described to prove the significance of the active filter in low-voltage distribution of civil construction.

Keywordsnon-linear load, harmonic, active power filter

0引言

隨著現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展，民用建筑(特別是大型綜合類民用建筑)中大量高靈敏度的現(xiàn)代化用電設(shè)備和裝置的應(yīng)用，給人們的生產(chǎn)、生活帶來極大的便利；同時這些設(shè)備也是諧波源設(shè)備，給人們帶來了電力諧波等電能質(zhì)量問題，對建筑物內(nèi)的電氣安全和設(shè)備運(yùn)行等產(chǎn)生了新的威脅。

1現(xiàn)代綜合類民用建筑的諧波源及其危害

現(xiàn)代綜合類民用建筑中的諧波主要來自于兩方面,一是公用電網(wǎng)本身，這一部分所占比例較??；二是現(xiàn)代綜合類民用建筑內(nèi)大量的非線性負(fù)荷形成的諧波源。

現(xiàn)代綜合類民用建筑內(nèi)主要的諧波源有：現(xiàn)代照明系統(tǒng)、辦公設(shè)備、UPS(不間斷電源)、EPS(應(yīng)急電源)、變頻驅(qū)動設(shè)備以及電子控制設(shè)備等。

諧波對配電系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)為：1)諧波電流使電動機(jī)效率降低,發(fā)熱增加,縮短其壽命；2)諧波電流會使變壓器產(chǎn)生附加損耗,從而引起過熱,使絕緣介質(zhì)老化加速,導(dǎo)致絕緣損壞，以及增加噪聲；3)諧波電流的大量存在會使并聯(lián)電容器容易吸收諧波電流引起過載發(fā)熱，同時容易構(gòu)成諧波、諧振；4)諧波電流會使斷路器誤動作；5)諧波易造成計(jì)算機(jī)故障死機(jī)和屏幕的頻閃；6)諧波易造成電纜發(fā)熱特別是對中性線電纜影響更大，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致中性線電纜過載、過熱、燒毀；7)諧波畸變嚴(yán)重的情況下會在一個正弦周期內(nèi)出現(xiàn)多個額外過零點(diǎn),會使可控硅開關(guān)設(shè)備控制裝置誤動作；8)諧波會導(dǎo)致感應(yīng)式電能表計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)。

2諧波問題的解決方案

諧波問題解決方案一般有2種：配置無源濾波器和配置有源電力濾波器。

無源濾波器和有源濾波器的對比見表1。

有源電力濾波器利用可控的半導(dǎo)體功率器件(如IGBT)，向電網(wǎng)注入與非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流幅值相等、相位相反的電流。使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。相對于無源濾波器濾波能力的變化不定，有源電力濾波器的濾波能力是確定的，其濾波能力和負(fù)荷的功率因數(shù)無關(guān)。有源電力濾波器的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對補(bǔ)償對象的變化快速響應(yīng)，可對頻率和大小都在變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，有源電力濾波器可以自動限制在100%額定容量以下輸出，不會發(fā)生過負(fù)荷。

有源電力濾波器的配置一般采用兩種方式：負(fù)載就地治理方式和變電房集中治理方式，下面為根據(jù)負(fù)載類型的諧波畸變率和設(shè)備容量等分別給出的有源電力濾波器容量速查表。

1)典型負(fù)載就地治理有源電力濾波器容量見表2。

2)配電房變壓器二次側(cè)集中治理有源濾波器容量見表3。

表1　無源濾波器和有源電力濾波器的對比

表2　典型負(fù)載就地治理速查表

(1)表2和表3中第一行表示電流諧波總畸變率，第一列表示變壓器(負(fù)載)容量；兩者交叉處表示該處選擇的有源濾波器容量。

(2)表2和表3中的容量均是在變壓器負(fù)荷率50%的情況下計(jì)算所得，功率因數(shù)按照0.95考慮。

(3)演藝中心、大劇院等可控硅調(diào)光設(shè)備負(fù)荷率越小，電流諧波總畸變率越大，隨著負(fù)荷率的上升電流諧波總畸變率降低，大多數(shù)調(diào)光設(shè)備品牌一般都是在50%左右負(fù)荷率下，諧波電流有效值最大。

(4)若變壓器的負(fù)荷率不是此值，那么APF的容量將按比例增減。

表3　配電房變壓器二次側(cè)集中治理速查表

3DIVORSINE有源濾波器在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用案例

本文以筆者負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的深圳某公司生物產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地項(xiàng)目為例，項(xiàng)目基地位于深圳市鹽田區(qū)，南北長約470m，東西寬約270m，總用地面積102 999.81m2，總建筑面積346 738.09m2。項(xiàng)目用途包括生物科技研發(fā)廠房、國際學(xué)術(shù)會議中心、配套辦公室、員工宿舍、物業(yè)管理用房、垃圾分類處理中心、10kV變電所和綜合通訊接入網(wǎng)機(jī)房等。

項(xiàng)目效果圖

3.1有源濾波器容量的計(jì)算

由于有源濾波器相對無源濾波器具有諸多優(yōu)勢，此項(xiàng)目主要在研發(fā)廠房、會議中心和冷凍機(jī)房采用了有源濾波器的集中配置方案，下面以研發(fā)廠房1#配電房P1-1TM變壓器為例進(jìn)行介紹，P1-1TM變壓器SGB10-1600/10 1 600kVA，D，yn11，主要負(fù)載為生物研發(fā)廠房的實(shí)驗(yàn)儀器、電腦、照明和插座等，根據(jù)各個變壓器容量的大小以及相應(yīng)的諧波畸變率計(jì)算諧波電流的大小，集中配置方案諧波計(jì)算：

有源濾波器的選型考慮到設(shè)備負(fù)載率變化以及有源濾波器預(yù)留一定的裕量等要求，同時參考變電房變壓器二次側(cè)集中治理速查表，在P1-1TM變壓器集中配置了1組200A的DIVORSINE有源濾波器。其他的變壓器也可以參照此類計(jì)算和速查表來選擇有源濾波器的容量。

3.2其他各變壓器低壓側(cè)的有源濾波器配置表(見表4)

3.3有源濾波諧波治理效益分析

有源濾波器投入后，諧波電流畸變率由15%～35%下降到國家標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)(5%左右)，假定負(fù)載有功輸出恒定且功率因數(shù)不變(即負(fù)載基波電流恒定)，則系統(tǒng)側(cè)視在電流IS的變化如下：

設(shè)負(fù)載電流為IL，負(fù)載基波電流為ILF，系統(tǒng)側(cè)電流畸變率為THDIS，負(fù)載側(cè)電流畸變率為THDIL。

濾波器投入前：Is-OFF=IL，THDIs-OFF=THDIL，則系統(tǒng)側(cè)視在電流IS=負(fù)載基波電流ILF×(1+諧波電流畸變率THDIL2)^1/2。

濾波器投入后：IS≈ILF，THDIs-ON=5%，則系統(tǒng)側(cè)視在電流IS-ON=(濾波器消耗基波電流IeF+負(fù)載基波電流ILF)×(1+諧波電流畸變率THDIS-ON2)^1/2。

濾波器投入前、后系統(tǒng)的視在電流的差值△IS=IS-OFF-IS-ON，約為：△IS=負(fù)載基波電流ILF×

表4　其他各變壓器低壓側(cè)的有源波器配置表

[(1+諧波電流畸變率THDIL2)^1/2-(1+諧波電流畸變率THDIs-ON2)^1/2]。

考慮到濾波器實(shí)際功耗<<負(fù)載基波電流，(每臺濾波器功耗約為2%×有源濾波器容量)，

則：當(dāng)THDIL=35%時，濾波器投入前后△IS=5.8%ILF≈5.8%IS；

當(dāng)THDIL=15%時，濾波器投入前后△IS=5.8%ILF≈1.0%IS。

3.4某研發(fā)生產(chǎn)基地為例有源濾波器投入前、后進(jìn)線柜處的數(shù)據(jù)分析對比圖(見圖1～8)

大量的工程實(shí)例及計(jì)算顯示：完全實(shí)施諧波治理方案后,諧波電流和線路、設(shè)備損耗減小，功率因數(shù)提高，經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備壽命提高，降低次品率、減小設(shè)備維護(hù)費(fèi)用及提高變壓器供電容量等，轉(zhuǎn)換成有關(guān)電能消耗年度節(jié)省在總用電量的5%左右。

圖1　濾波器投入前電能參數(shù)

圖2　濾波器投入后電能參數(shù)

圖3　濾波器投入前電壓參數(shù)

圖4　濾波器投入后電壓參數(shù)

圖5　濾波器投入前電流參數(shù)

圖6　濾波器投入后電流參數(shù)

圖7　濾波器投入前電壓、電流波形

圖8　濾波器投入后電壓、電流波形

4結(jié)束語

本文分析了民用建筑內(nèi)諧波的來源、危害、解決方案、容量計(jì)算以及通過使用有源濾波器進(jìn)行治理后的效果評估，證明有源濾波器在民用建筑低壓配電中的應(yīng)用意義，說明在大型民用建筑內(nèi)應(yīng)用有源濾波器的必要性和實(shí)際效益。

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Li Zhe / Cui Jiawei

Research on A Definable Photovoltaic Forecast Model Based on BIM for BIPV

Long Chengchao / Wang Jia