淺談有源濾波器在建筑辦公樓宇配電系統中的應用與選型

摘要：本文通過對諧波概念及其危害的分析，對諧波源的分類描述，指明了諧波對于現代建筑整個供配電系統的嚴重危害，從而引出抑制諧波的重要性、緊迫性，并提供了幾種措施，其中，又通過具體實例的分析詳細闡述了有源濾波器在抑制濾波中的應用及其工作原理，并說明了采取該措施之后所取得的效果。

關鍵詞：諧波、危害、措施、有源濾波器

1.引言

近年來，隨著現代化的進程的不斷深入，以及國家對于節能減排的倡導，建筑行業大量地采用整流及變頻設備，整流及變頻器的使用在節能上起到了很好的作用，然而這些非線性負荷的大量使用，并且功率越來越大，導致了供配電電能質量的嚴重降低。這些非線性設備所產生的大量的多次諧波，與供配電網絡中的系統容抗和系統阻抗在一定的參數條件下，會形成串聯或并聯諧振，從而會導致系統中的設備損壞。諧波對于整個供配電系統的危害已經引起了人們的廣泛重視，抑制諧波，提高供配電系統的電能質量已經刻不容緩。

2.諧波的概念

“諧波"一詞起源于聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎，傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)為諧波次數電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分數波。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染"。諧波是衡量電能質量的關鍵指標之，是電能質量技術監督的重要內容，其污染程度的大小直接關系電能質量的優劣。

3.諧波源

諧波通常是由非線性供電設備所產生的，如變壓器、整流器、變頻裝置等，這些設備在吸收基本功率的同時，也產生諧波電流及諧波功率。對于目前的建筑辦公樓宇*常見的諧波源如下。

3.1變壓器產生諧波

電力變壓器產生諧波主要由于變壓器鐵芯材料具有非線性磁化曲線引起的，變壓器的鐵芯磁化曲線除了一般線性區以外，還有飽和區、死區和滯后區這三類典型的非線性區，它以原點對稱，在正弦波作用下，勵磁電流為對稱奇函數。目前在設計變壓器時考慮其經濟性，所以，其工作磁密選擇均在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。諧波次數還受其一、二次側接線方式(△或Y)的影響，諧波的大小與磁路的結構形式、鐵芯的飽和程度等有關。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性工作區越遠，產生的諧波電流就越大。

3.2變頻器產生諧波

隨著變頻器產業的飛速發展，以及人們節能環保意思的加強，變頻裝置已經越來越普遍的被用于風機、水泵、空調等設備中。我們目前常用的變頻器的主電路拓撲一般為交直流型，即將工頻的交流電源變為直流電源，再將直流電源變為控制交流電機所需要的頻率和電壓，此種變換形式的低壓變頻器，所產生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。有資料顯示，此類設備所產生的諧波分量有時可高達基波分量的50%~60%，由于變頻設備功率大，數量多，因此對整個供配電系統的影響也就很大。

3.3電子鎮流器產生諧波

目前建筑照明設備幾乎都采用了電子鎮流器，使用電子鎮流器的好處是光效高，消除了頻閃，燈管使用壽命延長，功率因素高，噪音低，可調光，且照明設備自身功耗低，節能效果相當明顯。電子鎮流器是一個將工頻交流電源轉換成高頻交流電源的變換器，此類設備所產生的諧波分量均為奇次諧波，有資料顯示，電子鎮流器所產生的諧波分量有時可高達基波分量的25%。照明設備數量巨大，因此，對于供配電系統的影響也是很大的。

4.諧波的危害

目前由于產生諧波的設備量大面廣，諧波使建筑樓宇的供配電系統面臨著嚴重的干擾與破化，諧波的危害主要有如下幾點:

4.1電力變壓器

鐵芯磁感應環流增加，電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效應是使變壓器溫度上升，功耗增加；加速絕緣老化，造成容量裕度減小，影響設備壽命；諧波還可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵芯磁通飽和或歪斜，嚴重時可造成變壓器燈的燒毀。

4.2電力電纜

由于諧波頻率較高，集膚效應和鄰近效應就越大，發熱損耗增加，加速絕緣老化，影響壽命。況且，3次諧波會在中性線疊加，以3倍于相線的電流通過中性線，使中性線電流大大超過其安全電流值造成過負荷，這種狀態下就有可能造成導線過熱引起線路周圍可燃裝修材料起火或中性線熔斷，造成各相電壓不平衡，燒壞線路中接入的電器設備進而引發火災。

4.3電動機

對于經常啟動的電動機，大的會引起電動機發熱，導致電動機的額外溫升；另外，當電動機中的諧波電流，與某零件的固有頻率接近時，還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。

4.4電力電容器組

用電系統中為了提高功率因數一般都加電力電容器組，而諧波會加速電容器的老化使電容器的損耗系數增大，附加損耗增加，從而容易放生故障和縮短電容器的壽命。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會放大諧波電流，使電容器及熔斷器因過熱、過電流、過電壓等而不能正常運行甚至燒毀。

4.5開關和繼電設備

諧波電流會引起開關之額外損失，并提高溫升使承載基波電流能力降低，湛升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。諧波電流還會使繼電保護設備產生額外的轉矩，改變電器的動作特性，以致引起誤動作，低壓斷路器之固態跳脫裝置，系根據電流峰值來動作，而此種型式之跳脫裝置會因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘。

4.6計量儀表、照明、通信等設備

電能測量儀表因諧波會造成感應轉盤產生額外的電磁轉矩，引起誤差降低精確度；諧波電流會引起照明閃爍，使人易視覺疲勞，降低工作效率，對于通信等設備會通過電磁感應、靜電感應與傳到等方式耦合到系統中，從而對設備產生干擾而影響其正常的工作或減少使用壽命。

5.抑制諧波的措施

為了控制諧波的泛濫，凈化供配電系統的波形，提高供配電系統的電能質量和效率，國家標準GB/T14549-93《電能質量-公用電網諧波》。該標準規定了公用電網諧波電壓限值(表1)、諧波電流值(表2)。

5.1增加變流裝置的整流相數

在裝置里作出結構上的改動，包括把一些敏感的設備接與電網的清潔部分，另外，也可選用十二脈沖驅動器代替六脈沖驅動器。

5.2設置無源濾波器

當諧波水平較高時，使用諧波濾波器，傳統上會采用無源濾波器，但同時它也帶出一些問題。無源濾波器是由一組串聯的電抗器、電容器，有時還包括電阻器等無源元件組成，由于無源濾波器在諧振頻率下的阻抗會很小，所以相應的諧波電流，不論大小都會通過該電路，因此無源濾波器容易過載，在過載時，機器會關掉或被破壞。過載的原因可能是一些在供電系統里不能預知的諧波源(例如:新增的驅動裝置等等)無源濾波器的濾波程度取決于其阻抗與電網中其他阻抗的關系，因此，濾波程度很難控制，除此之外，隨著時間的推移，元器件的老化或配電系統內設備的變化，都會改變諧振頻率，*后過濾效果會大大下降。此外，*關鍵的是無源濾波器只可以過濾一種諧波成份如果過濾不同的諧波，則要分別連接不同的濾波器。

5.3設置有源濾波器

有源濾波器(APF)是近年來發展迅速的新技術，APF是利用可控的功率半導體器件，采用了實時檢測的閉環運行方式，向電網注人與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，有源濾波器能動態地抑制諧波電流并能實時補償(大小和頻率都變化的)諧波電流。有源濾波器根據電路組成形式和接入電網的方式不同，可分為電壓源型和電流源型串聯型和并聯型。實際運用中，可以根據供配電系統的實際情況來選用適用的型式。有源濾波器的顯著優點使之成為未來諧波補償的發展方向，它將取代傳統的無源濾波器。

有源濾波器的優點:不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功;濾波特性不受系統阻抗等的影響可消除與系統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。

6.有源濾波器在辦公樓宇中的應用實例

6.1有源濾波器的工作原理

有源濾波器與無源濾波器的工作原理是不同有源濾波器是通過電流互感器檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負截電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發送給內部IGBT控制逆變器產生一個與負載諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到電網中，達到消除濾波的目的。如下圖所示:

BESTSINE有源濾波器能提供三相諧波電流的補償它由以下幾個部分組成:

一個脈動電流濾波器模塊。它的主要功能是吸收高頻脈動電流和補償一定數量的無功功率。

一個電磁接觸器模塊用于平穩啟動。用來幫助減少當直流電容器充電時的涌入電流的幅值。

一個高頻的電感電容器模塊。作為電力整流器和電力系統之間的電能傳送接口單元。

一個IGBT(InsolatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管)電力整流器模塊。用于轉換電力系統中的諧波能量和產生與電網中諧波成份大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網。這樣就能將電網中的諧波抵消掉。

一個直流電容器模塊，用來存儲從電力系統中得到的能量，然后將這些能量提供給IGBT整流器去產生與電網中諧波成份大小相等、方向相反的補償諧波電流。

1)開關

2)快熔斷保險絲

3)脈動電流濾波器模塊

4)平穩啟動電磁接觸器模塊

5)高頻電感電容模

6)IGBT電力流塊

7)直流電容模塊

6.2應用實例

目前的建筑辦公樓宇暖通系統、給排水系統等設備均大量的采用了變頻控制,除此之外,辦公樓宇不但有大量的辦公照明，而且，還有大量的泛光照明，這些設備的特點使其產生了大量的諧波。受到諧波污染的供配電網存在著嚴重的安全隱患，如:變壓器過熱、中心線過載設備異常跳閘、自控系統絮亂、電腦設備死機等等。針對上述情況，我們對大樓內的變頻冷凍機進行諧波治理，以下為治理前后的數值對比:

1)波器運行前后的對比情況:

設備運行，濾波器停止

設備運行，濾波器運行

2)測試數據及分析(數據見后附頁)

從上面量測數據看以看出來，在安裝了有源濾波器

后，在電能質量改善方面產生了較為明顯的效果:總諧波電流畸變率(ITHD)從原先的77%，下降到了11%左右;其中5次諧波電流從原先的近20%，下降到了1.5%左右;7次諧波電流從原先的12%，下降到了1.4%左右;功率因數、電壓有效值均得到了提高。

7.安科瑞APF有源濾波器產品選型

7.1產品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯，達到較高的電流輸出等級。

7.2型號說明

7.3尺寸說明

7.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

8.結束語

本文從諧波的概念、產生、危害等以及在建筑樓宇的應用，作了較為詳盡的闡述，目的在于喚起大家對于諧波所造成的危害的重視，在現今能源短缺的時代，同時在國家大力提倡節能減排的今天，更應該重視諧波所帶給我們的危害，從而從根本上得到有效的治理。

參考文獻

[1]高翔.建筑辦公樓宇中有源濾波器的應用[J].安裝,2013(03):52-55.

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.