民用建筑配电系统谐波污染及其抑制方法

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近年来，随着电力电子技术的不断发展，各类电力电子设备在工业、民用建筑、能源系统和电气化交通等领域的应用日益广泛，电网谐波问题越来越为人们所重视。各国对电网质量的评价不再仅限于频率和电压的稳定程度，对谐波也相应制定了国际和国家标准加以限制。据有关资料统计，在各行业产生的谐波量中来自民用建筑的约占40.6%。为了对民用建筑配电系统谐波污染及其抑制方法有更深的了解，本刊记者特别采访了北京市建筑设计研究院副总工程师姚赤飙先生。把握方向 深入研究记 者：姚总，您好！感谢您在百忙之中接受《电气应用》的采访。请您介绍一下目前国际和国内对谐波问题主要的研究方向是什么？姚赤飙：国际和国内对谐波问题的研究方向主要在以下几个方面：1) 对换流器谐波源进行广泛深入的研究。2) 在测量技术上提出了在不同谐波情况下提高谐波测量精度的方法；研制了多通道谐波分析仪和电能质量测量仪器。3) 在分析和计量技术方面，分析电网参数变化、模型与元件参数的精度对谐波计算的影响，针对非稳态波形畸变寻求新的数学方法。4) 在滤波技术上，提出了时域/频域相结合的参数设计和修正方法；提出了无源与有源混合电路结构，研制具有综合性能的新型电力线路调节器。记 者：根据日本电气协会发表的一项关于谐波源的调查报告，最大谐波源来自整流器的用户占全部用户的90%，而在各行业产生的谐波量分布中，由民用建筑产生的谐波量占总数的40.6%。那么，民用建筑配电系统谐波产生的原因及谐波源种类有哪些？姚赤飙：在民用建筑配电系统中，当理论上电网供电为正弦基波电压，其施加在非线性负荷上时，负荷吸收的电流与施加的波形不同，畸变的电流将在电源系统的阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压。而畸变电压将对所有用电负荷（线性和非线性）产生影响，将产生更多的畸变电流。事实上电网供电电源往往含有一定比例的畸变电压，因此上述情况有可能更为严重。当电网电压含有谐波电压时，在异步电动机转子中感应出谐波电流，而异步电动机转子的异步转速又反过来在定子中产生频率低于电网谐波电压的次谐波及间谐波。在配电系统中，某种比例电抗率的电容器组或系统自身电抗与电容比率适合时，将会对某种特定次数的谐波电流产生谐振放大，有时可达谐波源电流的10倍以上。民用建筑中谐波源分为以下两类：1) 含有半导体非线性元件的谐波源UPS电源、直流屏、变频调速器、软起动器、气体放电灯、电子镇流器、家用电器及办公电器的直流电源、晶闸管调光器和交流调压器等电力电子装置。这些设备产生的谐波电流取决于它本身的特性和工作状况及加给它的电压，而与电力系统的参数关系不大，可以被看作是谐波恒流源。它们所产生的谐波电流主要为奇次谐波，也是民用建筑配电系统中主要的谐波源。2) 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源交流电动机、变压器、特种光源、断路器和熔断器动作电弧等，一般情况下同步电动机所产生的奇次谐波与异步电动机所产生的间谐波和次谐波并不严重，可以忽略。变压器所产生的谐波电流大小与其铁心饱和程度有关。正常运行时，电压为额定值，铁心工作在轻度饱和的范围，此时它基本上是线性电路。在一些特殊情况下，如建筑物刚投入使用或夜间轻载运行，变压器运行电压偏高，变压器投切操作，负载剧烈变化，外网电压波动，变压器在高过载情况下造成励磁电流过大，严重三相不平衡导致直流分量增大和太阳耀斑爆发引起的地磁暴在电网中产生的感应电流等，此时铁心饱和程度变深，谐波电流含量增大，主要为3次谐波。合理选用 实测分析记 者：在民用建筑配电系统中，尽管可以采用D/Y型变压器限制部分3次谐波返回电网，但主要抑制谐波的方法是采用滤波器。请您对谐波抑制的方式作下介绍。姚赤飙：谐波抑制的方式主要有以下几种：(1) 无源滤波器传统的LC 滤波器是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器（减幅滤波器）等几种。单调谐滤波器仅针对某一特定设计频率，例如3次、5次和7次等；双调谐滤波器相当于两个并联的单调谐滤波器，能够同时吸收两种频率的谐波；高通滤波器（也称减幅滤波器）又可分为一阶、二阶、三阶和C型。它是在某一很宽的频率范围内呈现一个很低的阻抗，形成对某次频率以上所有谐波的低阻抗通路。实际应用中常用几组针对不同频率的单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器来组成滤波装置。因LC滤波器中含有一定量的电容，可以起到一定的改善功率因数的效果，但一般均远远低于所需补偿值。此时宜单独安装带串联电抗器的并联电容器组，不宜盲目加大滤波器容量，这样在分步投切电容器组时，对滤波效果的影响较小。LC滤波器一般采用与谐振源并联方式接入配电系统，三相连接可接成Y型或D型。但3次谐波滤波器有一点特殊，因为3次谐波主要为零序谐波，大部分流经N线，因此有些3次谐波滤波器采用在N线上串接的方式。如ABB公司的THF，其工作原理与并联型LC滤波器的相反，是在150 Hz的谐振频率产生高阻抗，而对非150 Hz的其他频率电流阻抗很小，其结果是大部分3次谐波电流被阻断。此外，还有一类自动调谐式单调谐滤波器，通过一套测量控制装置，在一定范围内改变电感或电容参数，以保证LC滤波器谐振于实际频率上。(2) 有源电力滤波装置（APF）有源电力滤波器的基本原理是检测补偿对象的电压和电流，经运算电路计算得出补偿电流的指令信号，经放大输出的补偿电流与负载中要补偿的谐波电流相抵消，即补偿电流与谐波电流频率幅值相等，而相位相差180°，最终得到期望的电源电流。实际应用中，多数有源滤波器均采用并联安装方式，串联型有源滤波器单独使用很少，还缺乏深入的研究。串联型有源滤波器与并联型有源滤波器相比，前者作为电压源工作，有源装置容量小，运行效率高，适合抵消具有电压源性质的谐波源之电压污染，缺点是投切及故障保护较困难，无法进行无功功率动态补偿；后者作为电流源工作，技术成熟，补偿特性不受电网阻抗的影响，适合抵消具有电流源性质的谐波源之电流污染，缺点是运行效率较低，造价较高。(3) 混合型滤波器为了解决无源滤波器和有源滤波器各自存在的缺点，构成比较理想的谐波补偿系统，将无源滤波器和有源滤波器混合应用——混合型滤波器，是一种比较理想的方法。并联型有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用方式分为两种：1) 一种是有源电力滤波器与无源LC并联，两者共同承担谐波补偿任务，LC 滤波器为高通滤波器，主要补偿高次谐波，从而使有源电力滤波器中的开关元件的频率要求有所降低，以降低有源电力滤波器的成本。也有采用多组LC滤波器承担大部分抑制谐波任务，有源电力滤波器仅起改善系统性能的作用，从而大大降低了有源电力滤波器容量，这是最常见的使用方法。2) 另一种为有源电力滤波器与LC滤波器串联。此方法中，无源LC滤波器承担绝大部分抑制谐波任务，有源电力滤波器通过单相变压器接入LC回路中，起到改善调节无源LC滤波器滤波特性的作用，相当于自动调谐式无源滤波器。此时有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此容量较小。串联型有源电力滤波器与无源LC滤波器并联使用，其特点与上述的2) 点类似。串联型有源电力滤波器通过三只单相变压器串联在电源和无源LC滤波器之间。对于流过系统中谐波电流，串联型有源电力滤波器表现为纯阻抗，对于流过系统的基波电流，其表现为零阻抗。因此串联型有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用，阻止谐波电流流入电网，迫使流入无源LC滤波器，这样，消除电网与LC滤波器之间可能产生的谐振。当系统电压畸变不严重时，串联型有源电力滤波器容量较小，可起到降低造价的作用。