有源濾波器在建筑樓宇配電中的應用

1、引言

     近年來，各種現代化樓宇建筑迅速發展為樓宇自動化，逐漸成為城市及國家發展的一個重要參照。高層建筑樓宇自動化系統（設備自動化系統、辦公自動化系統、通信自動系統）中的大量自動化設備都需要高質量的電源，但這些設備中的相當一部分具有非線性負載特性，又是引發低壓供電系統諧波畸變的擾動源。這些諧波源對供電系統造成嚴重污染，使電能質量下降，不僅給樓宇中的電器設備、電子設備帶來嚴重的危害和不良影響甚至威脅整個樓宇智能化系統。

     因此，分析引發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的安全運行具有重要意義。

2、諧波來源

    樓宇配電系統中諧波主要來自兩個方面，一是負載本身具有大量的諧波源，這些諧波源會產生大量的諧波電流，通過線路阻抗，導致系統電壓中出現諧波電壓。二是公用電網本身還具有一定量的諧波電壓，這部分諧波可以由網側傳輸至配電系統。

樓宇配電系統中的負載有以下特征：

   （1）單相負載多。樓宇配電系統中，單相負載占到一半以上，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）非線性負載比例高。樓宇配電系統中的個人電腦、復印機、通訊設備、照明設備以及部分樓宇配電系統中的UPS、一次電源等負載都是主要諧波源。

   （3）諧波源諧波畸變率大。據測試，樓宇配電系統中的諧波源都具有較大的諧波畸變率，如個人電腦諧波電流畸變率為，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智能化及自動化設備對供電電能質量要求較高，對諧波較為敏感。

3、諧波危害

    樓宇配電系統中存在的諧波電壓和諧波電流，對配電系統造成大的污染，不僅惡化了電網電能質量，并對各種用電設備也造成了一定的危害：

    （1）使電力元件附加損耗加大，易引發火災。

諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。

    （2）影響電氣設備的正常運行。

諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。

    （3）引起電網諧振。

這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。

    （4）使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。

諧波會導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失；諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。

    （5）使工控系統崩潰。

臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，計算機無法正常工作；重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。

4、樓宇配電諧波解決方案

    目前的諧波治理設備主要有無源濾波器以及有源濾波器。傳統的無源濾波器因其結構簡單等優點被廣泛應用，但是隨著各配電中心對電能質量要求的不斷提高，無源濾波器的局限性也日漸凸顯。相較于傳統的無源濾波器，有源濾波器由于其的諧波補償性能而被廣泛應用。

4.1 ANAPF有源濾波器工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。

原理如下圖：

4.2 ANAPF有源濾波器主要技術特點

     ANAPF系列有源電力濾波裝置采用DSP+FPGA全數字控制方式，具有快的響應時間；的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；模塊化設計，便于生產調試；便利的并聯設計，方便擴容；具有完善的橋臂過流、保護功能；使用方便，易于操作和維護。

4.3 ANAPF有源濾波器應用案例說明 

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

    經測試，有源濾波器投入前該系統中總諧波電流約7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，具有的濾波效果，如下為對比圖：

4.4 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單

5、結語

本文分析了諧波對樓宇建筑的危害，介紹ANAPF低壓有源濾波器的原理以及功能。通過某樓宇低壓配電系統中有源濾波器的應用案例可以看出系統的諧波得以地濾除，了諧波引起的各種附加損耗，降低了變壓器的噪聲，減小了諧波對用電設備的不良影響。了電能質量，總體提升了設備的運行效率和電力能源的使用效率。除此以外，還減小了中線電流，降低了中線溫度，了由中線電流過大引起火災甚至人生安全的隱患。由此可見，有源濾波器是樓宇配電中心諧波治理的解決方案。

【參考文獻】

上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版