现代建筑谐波分析及其低压配电系统中的谐波治理方法

现代建筑谐波分析及其低压配电系统中的谐波治理方法

李丛 / 李智 (深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司，广东 深圳 518054)

摘要介绍了现代建筑内谐波的来源、危害、相关的谐波标准以及通过使用有源电力滤波器进行治理后的效果评估，阐述有源滤波器在民用建筑低压配电中的应用意义。

关键词非线性负载 谐波 有源滤波器

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

随着现代科技迅猛发展，民用建筑(特别是大型综合类民用建筑)中大量高灵敏度的现代化用电设备和装置的应用，给人们的生产、生活带来极大的便利；同时这些设备也是谐波源设备，给人们带来了电力谐波等电能质量问题，对建筑物内的电气安全和设备运行等产生了新的威胁。

1现代综合类民用建筑的谐波源及其危害

现代综合类民用建筑中的谐波主要来自于两方面,一是公用电网本身，这一部分所占比例较小；二是现代综合类民用建筑内大量的非线性负荷形成的谐波源。

现代综合类民用建筑内主要的谐波源有：现代照明系统、办公设备、UPS(不间断电源)、EPS(应急电源)、变频驱动设备以及电子控制设备等。

谐波对配电系统和用电设备产生的危害主要表现为：1)谐波电流使电动机效率降低,发热增加,缩短其寿命；2)谐波电流会使变压器产生附加损耗,从而引起过热,使绝缘介质老化加速,导致绝缘损坏，以及增加噪声；3)谐波电流的大量存在会使并联电容器容易吸收谐波电流引起过载发热，同时容易构成谐波、谐振；4)谐波电流会使断路器误动作；5)谐波易造成计算机故障死机和屏幕的频闪；6)谐波易造成电缆发热特别是对中性线电缆影响更大，严重情况下导致中性线电缆过载、过热、烧毁；7)谐波畸变严重的情况下会在一个正弦周期内出现多个额外过零点,会使可控硅开关设备控制装置误动作；8)谐波会导致感应式电能表计费不准。

2谐波问题的解决方案

谐波问题解决方案一般有2种：配置无源滤波器和配置有源电力滤波器。

无源滤波器和有源滤波器的对比见表1。

有源电力滤波器利用可控的半导体功率器件(如IGBT)，向电网注入与非线性负荷产生的谐波电流幅值相等、相位相反的电流。使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。相对于无源滤波器滤波能力的变化不定，有源电力滤波器的滤波能力是确定的，其滤波能力和负荷的功率因数无关。有源电力滤波器的特点是实现了对补偿对象的变化快速响应，可对频率和大小都在变化的谐波进行补偿，有源电力滤波器可以自动限制在100%额定容量以下输出，不会发生过负荷。

有源电力滤波器的配置一般采用两种方式：负载就地治理方式和变电房集中治理方式，下面为根据负载类型的谐波畸变率和设备容量等分别给出的有源电力滤波器容量速查表。

1)典型负载就地治理有源电力滤波器容量见表2。

2)配电房变压器二次侧集中治理有源滤波器容量见表3。

表1　无源滤波器和有源电力滤波器的对比

表2　典型负载就地治理速查表

(1)表2和表3中第一行表示电流谐波总畸变率，第一列表示变压器(负载)容量；两者交叉处表示该处选择的有源滤波器容量。

(2)表2和表3中的容量均是在变压器负荷率50%的情况下计算所得，功率因数按照0.95考虑。

(3)演艺中心、大剧院等可控硅调光设备负荷率越小，电流谐波总畸变率越大，随着负荷率的上升电流谐波总畸变率降低，大多数调光设备品牌一般都是在50%左右负荷率下，谐波电流有效值最大。

(4)若变压器的负荷率不是此值，那么APF的容量将按比例增减。

表3　配电房变压器二次侧集中治理速查表

3DIVORSINE有源滤波器在供电系统中的应用案例

本文以笔者负责设计的深圳某公司生物产业研发基地项目为例，项目基地位于深圳市盐田区，南北长约470m，东西宽约270m，总用地面积102 999.81m2，总建筑面积346 738.09m2。项目用途包括生物科技研发厂房、国际学术会议中心、配套办公室、员工宿舍、物业管理用房、垃圾分类处理中心、10kV变电所和综合通讯接入网机房等。

项目效果图

3.1有源滤波器容量的计算

由于有源滤波器相对无源滤波器具有诸多优势，此项目主要在研发厂房、会议中心和冷冻机房采用了有源滤波器的集中配置方案，下面以研发厂房1#配电房P1-1TM变压器为例进行介绍，P1-1TM变压器SGB10-1600/10 1 600kVA，D，yn11，主要负载为生物研发厂房的实验仪器、电脑、照明和插座等，根据各个变压器容量的大小以及相应的谐波畸变率计算谐波电流的大小，集中配置方案谐波计算：

有源滤波器的选型考虑到设备负载率变化以及有源滤波器预留一定的裕量等要求，同时参考变电房变压器二次侧集中治理速查表，在P1-1TM变压器集中配置了1组200A的DIVORSINE有源滤波器。其他的变压器也可以参照此类计算和速查表来选择有源滤波器的容量。

3.2其他各变压器低压侧的有源滤波器配置表(见表4)

3.3有源滤波谐波治理效益分析

有源滤波器投入后，谐波电流畸变率由15%～35%下降到国家标准要求范围内(5%左右)，假定负载有功输出恒定且功率因数不变(即负载基波电流恒定)，则系统侧视在电流IS的变化如下：

设负载电流为IL，负载基波电流为ILF，系统侧电流畸变率为THDIS，负载侧电流畸变率为THDIL。

滤波器投入前：Is-OFF=IL，THDIs-OFF=THDIL，则系统侧视在电流IS=负载基波电流ILF×(1+谐波电流畸变率THDIL2)^1/2。

滤波器投入后：IS≈ILF，THDIs-ON=5%，则系统侧视在电流IS-ON=(滤波器消耗基波电流IeF+负载基波电流ILF)×(1+谐波电流畸变率THDIS-ON2)^1/2。

滤波器投入前、后系统的视在电流的差值△IS=IS-OFF-IS-ON，约为：△IS=负载基波电流ILF×

表4　其他各变压器低压侧的有源波器配置表

[(1+谐波电流畸变率THDIL2)^1/2-(1+谐波电流畸变率THDIs-ON2)^1/2]。

考虑到滤波器实际功耗<<负载基波电流，(每台滤波器功耗约为2%×有源滤波器容量)，

则：当THDIL=35%时，滤波器投入前后△IS=5.8%ILF≈5.8%IS；

当THDIL=15%时，滤波器投入前后△IS=5.8%ILF≈1.0%IS。

3.4某研发生产基地为例有源滤波器投入前、后进线柜处的数据分析对比图(见图1～8)

大量的工程实例及计算显示：完全实施谐波治理方案后,谐波电流和线路、设备损耗减小，功率因数提高，经济效益和设备寿命提高，降低次品率、减小设备维护费用及提高变压器供电容量等，转换成有关电能消耗年度节省在总用电量的5%左右。

图1　滤波器投入前电能参数

图2　滤波器投入后电能参数

图3　滤波器投入前电压参数

图4　滤波器投入后电压参数

图5　滤波器投入前电流参数

图6　滤波器投入后电流参数

图7　滤波器投入前电压、电流波形

图8　滤波器投入后电压、电流波形

4结束语

本文分析了民用建筑内谐波的来源、危害、解决方案、容量计算以及通过使用有源滤波器进行治理后的效果评估，证明有源滤波器在民用建筑低压配电中的应用意义，说明在大型民用建筑内应用有源滤波器的必要性和实际效益。

参考文献

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Equipment Configuration in General Cabling Cabinet

Li Zhe / Cui Jiawei

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

Long Chengchao / Wang Jia