文化艺术中心大剧院电能质量分析及其治理

王 建 迟恩先 葛方甫

（山东华天电气有限公司，济南 250101）

山东省会文化艺术中心作为“十艺节”的主场馆，包括大剧院、图书馆、美术馆、群众艺术馆以及剧团、书城、影城等文化事业和文化产业配套项目。其中大剧院大约7.5 万m2，包含1500 座音乐厅、1800 座的歌剧厅、500 座的多功能厅及排练厅和其它辅助设施，是一座多种表演艺术形式演出的综合性文化艺术中心。建筑智能化、自动化程度高，特别在演出时人员密度高场所，对于用电的安全性要求高，大剧院建筑内主要用电设备，以单相设备为主，包括音响、灯光、空调、照明灯、UPS 电源等， 非线性负荷集中，工作时产生大量的谐波电流，相控整流设备负载功率因数低，在整个配电系统及变压器产生大量的谐波及无功损耗，导致配电系统过热，造成火灾事故等安全隐患，降低了系统的安全运行。

1 大剧院配电负载特性及危害

大剧院内的负载不同于普通的写字楼，主要以舞台设备和舞台灯光、各种音响为主，这类设备为可控硅调光设备，在单相灯光开通时，所对应相电压被拉低，其他两相电压瞬间提高。灯光明暗调节是通过控制可控硅导通角的大小来实现的，导通角越小，谐波畸变越厉害，由于要不断的调节灯光的明暗和投入灯光的数量，所以系统中谐波含量也是不断变化的，谐波含量基本在30%～100%变化，如图1所示。可控硅调光设备工作在不同状态时，真个系统的谐波含量和系统功率因数不同。负载冲击造成电压波动。

以可控硅为主的单相相控整流灯光设备，在整个配电系统中造成系统谐波含量高，功率因数低，三相负载有功不平衡。对用电设备及整个配电系统影响较大。

图1 可控硅调光设备工作时电压电流情况

1）艺术中心内部有很多重要的设备，如舞台机械电子调控设备、电视转播与通讯设备、调光设备等，对供电的可靠性，安全性，抗干扰性要求高，需要良好的供电环境。大量的谐波造成其电能质量干扰，导致通讯异常失灵，声音与图形失真等，如舞台灯光的可控硅调光系统，会因为谐波原因导致其开关时电压应力高而损坏。

2）配电系统中由于单相负载较多，导致零序谐波电流大，造成三相四线制系统的中线过载，变压器一般采用星三角接法，在变压器三角形接法侧变压器绕组内产生环流，造成变压器绕组过流，同时变压器中线过载，严重时甚至引发事故。

3）增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失；使用电设备加速绝缘老化。引起继电器等控制器件误动作，使保护装置工作紊乱。谐波电流会对无功补偿电容器造成谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行。

2 大剧院配电电能质量治理的措施

针对大剧院配电系统的特点，谐波源主要为各种灯光设备，其单相负载多，三相负载不平衡， 功率因数较低等问题，需要对其进行综合治理，采用一套补偿设备解决上述问题，消除系统的电能质量问题。采用山东华天电气 有源电力滤波器，它是新一代电能质量综合治理设备，集合有源电力滤波器，无功补偿和三相不平衡校正等功能于一体。

华天有源电力滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速DSP 器件的数字信号处理技术制成的新型电能质量综合治理专用设备，它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP），同时根据系统的三相电压信号对电压、电流信号进行处理，将谐波与基波分离，无功功率及三相有功分别计算，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT 或IPM 功率模块，生成与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波，同时产生所需的无功功率及需要平衡的有功功率。从而实现对电力谐波、无功和三相不平衡校正的动态、快速、彻底治理，原理图如图2所示。

图2 APF 工作原理

3 应用实例

以省会文化中心大剧院的歌剧厅电能综合治理为例，由于单台设备容量小，且负载分散，综合考虑性价比，在配电使进行集中治理，解决电能质量问题，为整个配电系统营造一个绿色、安全的供用电环境。

1）配电系统主要参数

主要负荷：可控硅调光灯。

负载类型：单相整流性负载

谐波特征次：3 次、5 次、7 次为主，同时含有9 次、11 次、13 次、15 次、17 次等高次谐波。

补偿容量：在配电室安装100A 有源电力滤波器。

2）歌剧厅配电电能质量综合治理前后数据比较（如图3）

3）数据分析评价

（1）补偿前后主要数据比较如表1所示，以B相为例。

表1

图3 补偿设备工作前后情况

（2）从电能质量治理前后波形和数据可以看出，整个配电系统电能质量得到明显的改善，有效降低了系统由于谐波导致的电压上升，延长了用电设备的使用寿命，避免因电压过高烧毁电器设备的问题，电力谐波得到了很好的抑制，使配电系统的电流总谐波畸变率THD由原来的21.2%降为4.2%，满足国标GB/T14549-1993 的要求。总谐波电流减小了91A；同时对系统中存在的大量基波无功和谐波无功进行了补偿和治理，配电系统的效率得到提高，功率因数PF由0.97 提高到0.99。视在功率和无功功率显著降低。

提高了设备的利用率，降低了线路及变压器的发热损耗。

4 结论

通过对省会文化艺术中心大剧院配电系统电能质量综合治理后，提高了配电内各用电设备的运行质量与可靠性，降低配电变压器铁损和杂散损耗，提高了配电系统的效率；同时解决由于大量的谐波电流导致视在功率增加，功率因数降低，配电变压器负荷加重、损耗增加并导致局部过热，配电线路额外发热、线损增加等一系列电能质量问题。其次减少了无功功率降低线路功率损耗，增加电网的传输能力、提高电源设备利用率，减小电源设备容量，改善电网电压质量。平衡三相负载，使相间功率一致，降低由于三相不平衡引起相间偏压、造成环流损耗等问题。避免使设备运行更可靠、更安全、更节能。