有源濾波器在建筑樓宇配電中的應(yīng)用

1、引言

    近年來，各種現(xiàn)代化樓宇建筑迅速發(fā)展為樓宇自動化，逐漸成為城市及國家發(fā)展的一個(gè)重要參照。高層建筑樓宇自動化系統(tǒng)(設(shè)備自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、通信自動系統(tǒng))中的大量自動化設(shè)備都需要高質(zhì)量的電源，但這些設(shè)備中的相當(dāng)一部分具有非線性負(fù)載特性，又是引發(fā)低壓供電系統(tǒng)諧波畸變的擾動源。這些諧波源對供電系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，使電能質(zhì)量下降，不僅給樓宇中的電器設(shè)備、電子設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害和不良影響甚至威脅整個(gè)樓宇智能化系統(tǒng)。

    因此，分析引發(fā)辦公樓宇供電中諧波畸變的各類諧波源以及提出針對諧波畸變危害的治理措施，對高層辦公建筑中樓宇自動化系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

2、諧波來源

    樓宇配電系統(tǒng)中諧波主要來自兩個(gè)方面，一是負(fù)載本身具有大量的諧波源，這些諧波源會產(chǎn)生大量的諧波電流，通過線路阻抗，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓中出現(xiàn)諧波電壓。二是公用電網(wǎng)本身還具有一定量的諧波電壓，這部分諧波可以由網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。

樓宇配電系統(tǒng)中的負(fù)載有以下特征：

   （1）單相負(fù)載多。樓宇配電系統(tǒng)中，單相負(fù)載占到一半以上，可能會引起零序諧波，造成三相不平衡一級三相相差不對稱等問題。

   （2）非線性負(fù)載比例高。樓宇配電系統(tǒng)中的個(gè)人電腦、復(fù)印機(jī)、通訊設(shè)備、照明設(shè)備以及部分樓宇配電系統(tǒng)中的UPS、一次電源等負(fù)載都是主要諧波源。

   （3）諧波源諧波畸變率大。據(jù)測試，樓宇配電系統(tǒng)中的諧波源都具有較大的諧波畸變率，如個(gè)人電腦諧波電流畸變率為100%，UPS畸變率約為20%-30%，一次電源諧波電流畸變率通常為40%-50%。

   （4）樓宇配電中的大多數(shù)智能化及自動化設(shè)備對供電電能質(zhì)量要求較高，對諧波較為敏感。

3、諧波危害

    樓宇配電系統(tǒng)中存在的諧波電壓和諧波電流，對配電系統(tǒng)造成極大的污染，不僅惡化了電網(wǎng)電能質(zhì)量，并對各種用電設(shè)備也造成了一定的危害：

    （1）使電力元件附加損耗加大，易引發(fā)火災(zāi)。

諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。

    （2）影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。

    （3）引起電網(wǎng)諧振。

這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。

    （4）使繼電保護(hù)誤動作，電氣測量誤差過大。

諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)，特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失；諧波還會使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。

    （5）使工控系統(tǒng)崩潰。

臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，計(jì)算機(jī)無法正常工作；重則導(dǎo)致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。

4、樓宇配電諧波解決方案

    目前的諧波治理設(shè)備主要有無源濾波器以及有源濾波器。傳統(tǒng)的無源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但是隨著各配電中心對電能質(zhì)量要求的不斷提高，無源濾波器的局限性也日漸凸顯。相較于傳統(tǒng)的無源濾波器，有源濾波器由于其卓越的諧波補(bǔ)償性能而被廣泛應(yīng)用。

4.1 ANAPF有源濾波器工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。

原理如下圖：

4.2 ANAPF有源濾波器主要技術(shù)特點(diǎn)

     ANAPF系列有源電力濾波裝置采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定；一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；使用方便，易于操作和維護(hù)。

4.3 ANAPF有源濾波器應(yīng)用案例說明 

    下面以配電室配電變壓器母線處ANAPF有源濾波器投入運(yùn)行前、后配電系統(tǒng)電能質(zhì)量測試情況的對比分析為例來具體描述。

    經(jīng)測試，有源濾波器投入前該系統(tǒng)中總諧波電流約75A左右，主要諧波含量為3次、5次、7次，其中3次諧波電流為60A左右，5次諧波電流為40A，投入安科瑞ANAPF100-400/B有源濾波器后，具有顯著的濾波效果，如下為對比圖：

諧波治理前后的波形、頻譜對比

           未投入ANAPF電流畸變率                投入ANAPF電流畸變率

        未投入ANAPF諧波電流頻譜              投入ANAPF諧波電流頻譜

4.4 ANAPF有源濾波器報(bào)價(jià)及主要元件清單