有源滤波器在建筑楼宇配电中的应用

1、引言

       近年来，各种现代化楼宇建筑迅速发展为楼宇自动化，逐渐成为城市及国家发展的一个重要参照。高层建筑楼宇自动化系统(设备自动化系统、办公自动化系统、通信自动系统)中的大量自动化设备都需要高质量的电源，但这些设备中的相当一部分具有非线性负载特性，又是引发低压供电系统谐波畸变的扰动源。这些谐波源对供电系统造成严重污染，使电能质量下降，不仅给楼宇中的电器设备、电子设备带来严重的危害和不良影响甚至威胁整个楼宇智能化系统。

        因此，分析引发办公楼宇供电中谐波畸变的各类谐波源以及提出针对谐波畸变危害的治理措施，对高层办公建筑中楼宇自动化系统的安全运行具有重要意义。

2、谐波来源

       楼宇配电系统中谐波主要来自两个方面，一是负载本身具有大量的谐波源，这些谐波源会产生大量的谐波电流，通过线路阻抗，导致系统电压中出现谐波电压。二是公用电网本身还具有一定量的谐波电压，这部分谐波可以由网侧传输至配电系统。

楼宇配电系统中的负载有以下特征：

   （1）单相负载多。楼宇配电系统中，单相负载占到一半以上，可能会引起零序谐波，造成三相不平衡一级三相相差不对称等问题。

   （2）非线性负载比例高。楼宇配电系统中的个人电脑、复印机、通讯设备、照明设备以及部分楼宇配电系统中的UPS、一次电源等负载都是主要谐波源。

   （3）谐波源谐波畸变率大。据测试，楼宇配电系统中的谐波源都具有较大的谐波畸变率，如个人电脑谐波电流畸变率为100%，UPS畸变率约为20%-30%，一次电源谐波电流畸变率通常为40%-50%。

   （4）楼宇配电中的大多数智能化及自动化设备对供电电能质量要求较高，对谐波较为敏感。

3、谐波危害

     楼宇配电系统中存在的谐波电压和谐波电流，对配电系统造成极大的污染，不仅恶化了电网电能质量，并对各种用电设备也造成了一定的危害：

    （1）使电力元件附加损耗加大，易引发火灾。

       谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。

    （2）影响电气设备的正常运行。

       谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

    （3）引起电网谐振。

       这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。

    （4）使继电保护误动作，电气测量误差过大。

       谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。

    （5）使工控系统崩溃。

       临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

4、楼宇配电谐波解决方案

        目前的谐波治理设备主要有无源滤波器以及有源滤波器。传统的无源滤波器因其结构简单等优点被广泛应用，但是随着各配电中心对电能质量要求的不断提高，无源滤波器的局限性也日渐凸显。相较于传统的无源滤波器，有源滤波器由于其卓越的谐波补偿性能而被广泛应用。

4.1 ANAPF有源滤波器工作原理

       ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。

原理如下图：

4.2 ANAPF有源滤波器主要技术特点

       ANAPF系列有源电力滤波装置采用DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；模块化设计，便于生产调试；便利的并联设计，方便扩容；具有完善的桥臂过流、保护功能；使用方便，易于操作和维护。

4.3 ANAPF有源滤波器应用案例说明

       下面以配电室配电变压器母线处ANAPF有源滤波器投入运行前、后配电系统电能质量测试情况的对比分析为例来具体描述。

       经测试，有源滤波器投入前该系统中总谐波电流约75A左右，主要谐波含量为3次、5次、7次，其中3次谐波电流为60A左右，5次谐波电流为40A，投入安科瑞ANAPF100-400/B有源滤波器后，具有显著的滤波效果，如下为对比图：

谐波治理前后的波形、频谱对比

           未投入ANAPF电流畸变率                           投入ANAPF电流畸变率

        未投入ANAPF谐波电流频谱                         投入ANAPF谐波电流频谱

4.4 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

5、结语

       本文分析了谐波对楼宇建筑的危害，介绍ANAPF低压有源滤波器的原理以及功能。通过某楼宇低压配电系统中有源滤波器的应用案例可以看出系统的谐波得以有效地滤除，消除了谐波引起的各种附加损耗，降低了变压器的噪声，减小了谐波对用电设备的不良影响。改善了电能质量，总体提升了设备的运行效率和电力能源的使用效率。除此以外，还减小了中线电流，降低了中线温度，消除了由中线电流过大引起火灾甚至人生安全的隐患。由此可见，有源滤波器是楼宇配电中心谐波治理的首选解决方案。

【参考文献】

上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

作者简介：

余静，女，本科，武汉安科瑞电气有限公司工程师，主要研究方向为智能电力监控与电能管理系统，技术交流：15827180236  QQ：423647716 邮箱：ACRELYUJING@163.com

《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，本图集结合ANAPF有源电力滤波装置产品的特点，依据电气设计规范，研究消除供配电系统中的高次谐波问题，达到改善供电质量和确保电力系统安全运行的目的。图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。

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