浅谈有源滤波器在建筑办公楼宇配电系统中的应用与选型
浅谈有源滤波器在建筑办公楼宇配电系统中的应用与选型
张颖姣
摘要：本文通过对谐波概念及其危害的分析，对谐波源的分类描述，指明了谐波对于现代建筑整个供配电系统的严重危害，从而引出抑制谐波的重要性、紧迫性，并提供了几种措施，其中，又通过具体实例的分析详细阐述了有源滤波器在抑制滤波中的应用及其工作原理，并说明了采取该措施之后所取得的效果。
关键词：谐波、危害、措施、有源滤波器
1.引言
近年来，随着现代化的进程的不断深入，以及国家对于节能减排的倡导，建筑行业大量地采用整流及变频设备，整流及变频器的使用在节能上起到了很好的作用，然而这些非线性负荷的大量使用，并且功率越来越大，导致了供配电电能质量的严重降低。这些非线性设备所产生的大量的多次谐波，与供配电网络中的系统容抗和系统阻抗在一定的参数条件下，会形成串联或并联谐振，从而会导致系统中的设备损坏。谐波对于整个供配电系统的危害已经引起了人们的广泛重视，抑制谐波，提高供配电系统的电能质量已经刻不容缓。
2.谐波的概念
“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)为谐波次数电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。谐波是衡量电能质量的关键指标之，是电能质量技术监督的重要内容，其污染程度的大小直接关系电能质量的优劣。
3.谐波源
谐波通常是由非线性供电设备所产生的，如变压器、整流器、变频装置等，这些设备在吸收基本功率的同时，也产生谐波电流及谐波功率。对于目前的建筑办公楼宇*常见的谐波源如下。
3.1变压器产生谐波
电力变压器产生谐波主要由于变压器铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的，变压器的铁芯磁化曲线除了一般线性区以外，还有饱和区、死区和滞后区这三类典型的非线性区，它以原点对称，在正弦波作用下，励磁电流为对称奇函数。目前在设计变压器时考虑其经济性，所以，其工作磁密选择均在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。谐波次数还受其一、二次侧接线方式(△或Y)的影响，谐波的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度等有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性工作区越远，产生的谐波电流就越大。
3.2变频器产生谐波
随着变频器产业的飞速发展，以及人们节能环保意思的加强，变频装置已经越来越普遍的被用于风机、水泵、空调等设备中。我们目前常用的变频器的主电路拓扑一般为交直流型，即将工频的交流电源变为直流电源，再将直流电源变为控制交流电机所需要的频率和电压，此种变换形式的低压变频器，所产生的谐波既有电流源型的，也有电压源型的。有资料显示，此类设备所产生的谐波分量有时可高达基波分量的50%~60%，由于变频设备功率大，数量多，因此对整个供配电系统的影响也就很大。
3.3电子镇流器产生谐波
目前建筑照明设备几乎都采用了电子镇流器，使用电子镇流器的好处是光效高，消除了频闪，灯管使用寿命延长，功率因素高，噪音低，可调光，且照明设备自身功耗低，节能效果相当明显。电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，此类设备所产生的谐波分量均为奇次谐波，有资料显示，电子镇流器所产生的谐波分量有时可高达基波分量的25%。照明设备数量巨大，因此，对于供配电系统的影响也是很大的。
4.谐波的危害
目前由于产生谐波的设备量大面广，谐波使建筑楼宇的供配电系统面临着严重的干扰与破化，谐波的危害主要有如下几点:
4.1电力变压器
铁芯磁感应环流增加，电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效应是使变压器温度上升，功耗增加；加速绝缘老化，造成容量裕度减小，影响设备寿命；谐波还可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁芯磁通饱和或歪斜，严重时可造成变压器灯的烧毁。
4.2电力电缆
由于谐波频率较高，集肤效应和邻近效应就越大，发热损耗增加，加速绝缘老化，影响寿命。况且，3次谐波会在中性线叠加，以3倍于相线的电流通过中性线，使中性线电流大大超过其安全电流值造成过负荷，这种状态下就有可能造成导线过热引起线路周围可燃装修材料起火或中性线熔断，造成各相电压不平衡，烧坏线路中接入的电器设备进而引发火灾。
4.3电动机
对于经常启动的电动机，大的会引起电动机发热，导致电动机的额外温升；另外，当电动机中的谐波电流，与某零件的固有频率接近时，还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。
4.4电力电容器组
用电系统中为了提高功率因数一般都加电力电容器组，而谐波会加速电容器的老化使电容器的损耗系数增大，附加损耗增加，从而容易放生故障和缩短电容器的寿命。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会放大谐波电流，使电容器及熔断器因过热、过电流、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。
4.5开关和继电设备
谐波电流会引起开关之额外损失，并提高温升使承载基波电流能力降低，湛升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。谐波电流还会使继电保护设备产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作，低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。
4.6计量仪表、照明、通信等设备
电能测量仪表因谐波会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差降低精确度；谐波电流会引起照明闪烁，使人易视觉疲劳，降低工作效率，对于通信等设备会通过电磁感应、静电感应与传到等方式耦合到系统中，从而对设备产生干扰而影响其正常的工作或减少使用寿命。
5.抑制谐波的措施
为了控制谐波的泛滥，净化供配电系统的波形，提高供配电系统的电能质量和效率，国家标准GB/T14549-93《电能质量-公用电网谐波》。该标准规定了公用电网谐波电压限值(表1)、谐波电流值(表2)。
5.1增加变流装置的整流相数
在装置里作出结构上的改动，包括把一些敏感的设备接与电网的清洁部分，另外，也可选用十二脉冲驱动器代替六脉冲驱动器。
5.2设置无源滤波器
当谐波水平较高时，使用谐波滤波器，传统上会采用无源滤波器，但同时它也带出一些问题。无源滤波器是由一组串联的电抗器、电容器，有时还包括电阻器等无源元件组成，由于无源滤波器在谐振频率下的阻抗会很小，所以相应的谐波电流，不论大小都会通过该电路，因此无源滤波器容易过载，在过载时，机器会关掉或被破坏。过载的原因可能是一些在供电系统里不能预知的谐波源(例如:新增的驱动装置等等)无源滤波器的滤波程度取决于其阻抗与电网中其他阻抗的关系，因此，滤波程度很难控制，除此之外，随着时间的推移，元器件的老化或配电系统内设备的变化，都会改变谐振频率，*后过滤效果会大大下降。此外，*关键的是无源滤波器只可以过滤一种谐波成份如果过滤不同的谐波，则要分别连接不同的滤波器。
5.3设置有源滤波器
有源滤波器(APF)是近年来发展迅速的新技术，APF是利用可控的功率半导体器件，采用了实时检测的闭环运行方式，向电网注人与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，有源滤波器能动态地抑制谐波电流并能实时补偿(大小和频率都变化的)谐波电流。有源滤波器根据电路组成形式和接入电网的方式不同，可分为电压源型和电流源型串联型和并联型。实际运用中，可以根据供配电系统的实际情况来选用适用的型式。有源滤波器的显著优点使之成为未来谐波补偿的发展方向，它将取代传统的无源滤波器。
有源滤波器的优点:不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功;滤波特性不受系统阻抗等的影响可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。
6.有源滤波器在办公楼宇中的应用实例
6.1有源滤波器的工作原理
有源滤波器与无源滤波器的工作原理是完全不同有源滤波器是通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负截电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT控制逆变器产生一个与负载谐波电流大小相等，方向相反的电流注入到电网中，达到消除滤波的目的。如下图所示:
BESTSINE有源滤波器能提供三相谐波电流的补偿它由以下几个部分组成:
一个脉动电流滤波器模块。它的主要功能是吸收高频脉动电流和补偿一定数量的无功功率。
一个电磁接触器模块用于平稳启动。用来帮助减少当直流电容器充电时的涌入电流的幅值。
一个高频的电感电容器模块。作为电力整流器和电力系统之间的电能传送接口单元。
一个IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)电力整流器模块。用于转换电力系统中的谐波能量和产生与电网中谐波成份大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网。这样就能将电网中的谐波抵消掉。
一个直流电容器模块，用来存储从电力系统中得到的能量，然后将这些能量提供给IGBT整流器去产生与电网中谐波成份大小相等、方向相反的补偿谐波电流。
1)开关
2)快熔断保险丝
3)脉动电流滤波器模块
4)平稳启动电磁接触器模块
5)高频电感电容模
6)IGBT电力流块
7)直流电容模块
6.2应用实例
目前的建筑办公楼宇暖通系统、给排水系统等设备均大量的采用了变频控制,除此之外,办公楼宇不但有大量的办公照明，而且，还有大量的泛光照明，这些设备的特点使其产生了大量的谐波。受到谐波污染的供配电网存在着严重的安全隐患，如:变压器过热、中心线过载设备异常跳闸、自控系统絮乱、电脑设备死机等等。针对上述情况，我们对大楼内的变频冷冻机进行谐波治理，以下为治理前后的数值对比:
1)波器运行前后的对比情况:
设备运行，滤波器停止
设备运行，滤波器运行
2)测试数据及分析(数据见后附页)
从上面量测数据看以看出来，在安装了有源滤波器
后，在电能质量改善方面产生了较为明显的效果:总谐波电流畸变率(ITHD)从原先的77%，下降到了11%左右;其中5次谐波电流从原先的近20%，下降到了1.5%左右;7次谐波电流从原先的12%，下降到了1.4%左右;功率因数、电压有效值均得到了提高。
7.安科瑞APF有源滤波器产品选型
7.1产品特点
(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；
(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；
(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
(7)多机并联，达到较高的电流输出等级。
7.2型号说明
7.3尺寸说明
7.4产品实物展示
ANAPF有源滤波器
8.结束语
本文从谐波的概念、产生、危害等以及在建筑楼宇的应用，作了较为详尽的阐述，目的在于唤起大家对于谐波所造成的危害的重视，在现今能源短缺的时代，同时在国家大力提倡节能减排的今天，更应该重视谐波所带给我们的危害，从而从根本上得到有效的治理。
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