大型商业中心的谐波分析和治理方案

金来娣　袁桂馨

摘要：随着电力电子技术的不断成熟，变频空调、舞台灯光照明、计算机、UPS、变频电梯、LED显示器等非线性设备被越来越广泛地应用于大型商业中心中，这些非线性设备产生的谐波对电网的污染以及对电网中用电设备造成严重危害。合理、有效地评估系统中的谐波状况并进行相应的谐波治理显得越来越重要。

关键词：大型商业中心、谐波、谐波治理

大型商业中心为适应现代社会高品质的需要以及随着计算机技术、通信技术和控制技术的日新月异，相互渗透而持续地发展。大型商业中心中使用了大量的现代化用电设备和装置如变频空调、舞台灯光照明、计算机、网络控制设备、各种数码办公设备、消防系统、监控系统、金库安防系统等，恶劣的谐波环境对保证系统和设备的安全正常运行造成了极大的威胁。

大型商业中心的设备如何产生谐波电流

大型商业中心的电力电子设备工作时，之所以产生谐波电流，是因为各类电力电子设备输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流，包含了谐波成份。产生谐波电流的负载称为非线性负载，与之对应，不产生谐波电流的负载称为线性负载。

理想的电阻、电感和电容都是线性负载。但是实际的电感可能是非线性负载。

带平滑电容的整流器是最常见的非线性负载，它产生的谐波电流与电路结构有关。整流器从电网吸取脉冲电流，每个交流电周期整流出的脉冲数称为这个整流器的脉数。整流器所产生的谐波的种类与整流器脉数有关，具体关系如下：

M=P*n±1

式中：M=整流器产生的谐波次数，P=整流器的脉数，n取自然数。

因此，大型商业中心的设备的谐波电流是由各类电力电子设备整流器输入电路导致的。不同脉数的整流器产生的谐波不同，3相6脉的整流器产生的谐波电流以5次、7次、11次、13次为主。增加各类电力电子设备输入整流器的脉数可以减小谐波电流。

谐波电流导致的故障和危害

大型商业中心的设备产生的谐波电流对于配电系统以及配电系统所供电的电子设备都是十分有害的，典型的危害如表1所示，这些危害中，有些是谐波电流直接导致的，有些危害是谐波电流产生谐波电压导致的。

谐波电流导致的故障现象分为两大类，第一，导致电缆或变压器过热;第二，导致电网上的其他设备出现误动作或性能降低。无论哪类故障现象，元凶都是谐波电流，过热是由于电流直接导致的，干扰其他设备是由谐波电流产生谐波电压后导致的。

1）判断设备是否受到各类电力电子设备谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般超过5%就会导致设备的误动作;

2）设备距离各类电力电子设备越近，谐波电压越大，越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰;

3） 电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS等，各类电力电子设备的谐波电流干扰越强;

4） 设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰。谐波电流流过电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平顶。这种平顶电压除了对电子设备产生直接干扰外，还对电子设备有隐性的危害和影响。

大型商业中心的设备对其他设备的影响是通过谐波电压产生的。由于谐波电压畸变率与电网阻抗相关，因此同一台各类电力电子设备在不同电网条件下的干扰是不同的。电源越弱（小容量变压器、自备发电机、UPS），越容易发生干扰问题。即使在同一个电网中，各类电力电子设备对安装在不同位置的同一个设备影响也不同，距离各类电力电子设备越近，越容易发生干扰。

3、谐波的综合治理

抑制措施可分为抑制谐波电流Ih和降低谐波阻抗 Xh，抑制谐波电流首先是对单个设备的，经合成后可得系统的谐波电流，谐波阻抗是指系统而言的，如果采用这些措施之后仍然不满足，最后才考虑采用装设的电力滤波器。

3.1 抑制谐波电流的发射量    对于不同类型的设备，抑制措施是不一样的。  3.1.1 移相调压交流控制器

最大谐波电流值决定于负载的阻抗性质R/Z和移相角的控制，这和要求的功率输出有关，不是电气工程设计者能决定的。如果可能的话，负载的接线尽量采用三相而且不引出中性线。   3.1.2 電流型谐波源     提高整流的脉动数是最主要的，三相桥是6脉动，谐波电流从5次起，大功率整流器可采用12或更大脉动数，则滤波电流至少从11次起，按公式Ih=I1/h，谐波次数越高，谐波电流越小;要有一定的平滑度，即滤波电抗值要足够大;保持电源电压三相平衡和整流设备三相的结构和性能的对称性，以避免出现非特征谐波。    如果有单独的整流变压器，而且经济上合算，则可将整流变的原边电压升级，由低压升到中压或高压，这在降低谐波电流的同时又降低了系统的谐波阻抗。  3.1.3 电压型谐波源（较大功率设备如变频空调）     谐波电流的大小和用电设备接电源点的系统短路功率成正相关关系。因此，减少谐波电流的首选实用办法就是在变频器交流侧加一个交流电抗器，电抗值为4%左右，按笔者了解的情况，知名的国内外变频器生产厂中有些厂家已成套内装有电抗器，有些厂家说明可按要求对电抗器成套供货。增加线路电抗器后，除了能明显降低谐波外，尚有一些其它好处，但也有副作用，如变频器入口处的电压损失增加，装置的重量和造价增加。

日用电器主要包括计算机和电视机等，单相220V电源供电，因此将有三次谐波电流产生，并在中性线上将其合成，这是其特点，也是很困扰的问题。好在无论 GB或IEC标准都对单台设备的谐波发射量作了限制（不分谐波产生的机理），产品如果获得了“3C”认证，则应该遵从了有关GB的要求，即谐波的发射量在允许的范围内。单相的电压型谐波源按理在交流电源输入端加一电抗也应可减少谐波电流，但这是产品自身的设计问题。

3.2 降低系统谐波阻抗     由于Uh=IhXh，Xh是指谐波电压监控点上游的系统电抗，因此系统短路功率愈大时，系统电抗X愈小，因为Xh与X是正相关的关系，虽然不是简单的比例关系，但是降低系统电抗不是轻而易举的，除非有可能对单独的整流变压器原边电压升级。其次，从电学原理上来理解，并联无源型（LC型）电力滤波器PPF，对指定的滤波而言是一个很低的谐波电抗和系统的谐波电抗并联，降低了总谐波电抗，也就是滤波器的低的谐波阻抗吸引了大部分的谐波电流，使流过上游系统中的谐波电流大为减少。

3.3滤波器

3.3.1 滤波器的结构原理及特点（1） 无源滤波器  以5次谐波的单调谐波滤波器为例，它由电感电容串联后并联在电网上，谐波为容抗，可用来补偿无功，但事先要加以考虑，否则过补偿会使母线电压升高;有3次谐波，仍为容抗，3次谐波将通过此滤波器，因此必须并联装设3次谐波滤波器;对5次谐波为低阻抗，略有感性，5次谐波电流可大部分通过;对7次及更高次谐波为大电抗，无滤波作用，电容，仍然有可能和系统的电抗对某次谐波构成振荡回路而放大电流;滤波器一旦制成，性能参数难以变动，因此当电网谐波阻抗降低时，滤波效果将随之降低，当电网参数不变而谐波电流增加时，可能使滤波器过载。另一方面即使电网参数和谐波电流都不变，但由于温度变化，滤波器部件老化和其它因素都会影响滤波器性能而降低效率。此外滤波器的电抗电容值通常也会有容差即偏离其标准值 ±10%而增加了失谐度，也会降低滤波效率，当电网短路容量大（即电源阻抗小）时，则要求滤波器阻抗还要更小，即要求滤波器是精确调谐，但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大的困难;周波变流器输入侧谐波频率成份复杂而且与输出频率有关。无源滤波器对此不能适应，无源滤波器的最大特点是结构简单、结实、造价相对较低。

（2） 有源滤波器  有源滤波器的核心部分为逆变器，它产生和系统中各次谐波大小相等，相位相反的谐波电流注入到电网中，从而净化电网谐波。因此关键是按谐波电压的相位产生一个和Ih·XFA壓降数值相等而方向相反的电势EFA，理想状态下有谐波电流通过滤波器而没有电压降。因此利用电力电子装置，闭环控制EFA的大小，就能快速调节通过的谐波电流大小。由于有源滤波器利用数字闭环控制和电力电子装置，则滤波控制功能可以很完善，如可以选择滤去的谐波次数，最多可同时滤去20个谐波，可以选择滤波程度的目标值（绝对值或按比例），可以选择有无无功补偿功能等等。由于控制目标值稳定，且不受电网谐波阻抗变化的影响。也不会引发谐振;应可以具备限幅功能，避免滤波器过载损坏;和LC型滤波器相比，价格较高。

3.4 谐波治理的发展趋势

随着科技的发展，大型商业中心的电力电子设备的更大规模应用，谐波已成为配电系统的一大隐患，抑制谐波成为建筑工程供配电系统设计中一个不可缺少的重要内容，需要我们不断摸索规律、总结经验，从中找到最有效的防治方法。

针对智能建筑谐波治理的新技术、新产品不断涌现，要求工程设计时必须认真分析比较，对适用的各种产品有较全面的认识，从中选择最适合的方案和方法。但随着技术的进步和逆变器等设备价格逐步走低，以有源滤波器为手段的谐波治理方案会越来越受欢迎。

结论

谐波抑制和治理都是为了减少谐波，而不是完全消除，每种方法和手段都不能完全消除谐波，供电系统的谐波大小完全可以通过仪表实时监测，采取合理的措施和方案，可以获得良好的效果。电气设计人员最终的目的是针对不同的工程，选择最合适的抑制治理办法，既能够减少业主的投资，又能将谐波的影响控制在最小的范围。

参考文献：

【1】中华人民共和国行业标准 民用建筑电气设计规范 JGJ16-2008北京 中国建筑工业出版社，2008