建筑供电谐波的治理措施

刘昌明

1 建筑配电系统谐波的危害

谐波电压和谐波电流对配电系统是一种污染，不但使建筑中的电气设备与电子设备及智能化系统用电环境恶化，并对周围的通信系统甚至配电系统以外的设备造成危害。

谐波对电动机的损失增大，将使电机发热增加，老化加快;谐波的脉动对电动机转轴将产生振动;谐波会对断路器、漏电保护器、熔断器、继电器等保护、自动控制装置产生干扰，造成误动或拒动，当出现高次谐波含量较高的时候，电流会使断路器的整个分断能力降低;使照明设施的寿命缩短，特别是白炽灯光源;谐波过大，使电能计量仪表产生更大的误差;对邻近通信线路，谐波电压会产生静电干扰，谐波电流将产生电磁干扰;由于谐波的存在，使得许多无功补偿系统不能正常地投入使用，使得功率因数低，电网的网损增加;谐波电流使配电线路损耗增大，输电能力降低;另外，电缆的分布电容可以使整个谐波逐渐放大，当谐波流过电力电缆以后，就会产生许多的集肤效应，并不断的加重，使得整个电缆出现发热的情况，耗损变大;谐波对电子设备的不良影响主要有：对过零检测以基波频率为基准的电子设备，因谐波的影响造成过零误动作，从而破坏电子设备的正常运行;电压突变产生的dv/dt，造成电子设备损坏或误动作;谐波对电力电容器的损害极容易引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生串、并联谐振。

2 谐波治理措施

治理谐波的措施有两种：1)设计谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用;2)合理设计用电系统，对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数接近为1。

2.1 合理设计用电系统，选用低谐波源用电设备

1)采用D，yn型配电变压器。在D，yn联结组变压器中，3n次谐波励磁电流在其接线的一次绕组内形成环流，不注入到公共的高压电网中去，较一次绕组Y接线的Y，yn联结组变压器更有利于抑制谐波。2)对变流器本身进行改造，采用高功率因数变流器。a.采用整流电路的多重化。采用整流电路的多重化来减少谐波是一种传统方法。将几个桥式整流电路以串联方式多重联结可以减少输入电流谐波，用该方法构成的整流器对抑制谐波比较有效，但对功率因数的提高不明显。b.采用PWM整流电路。PWM整流电路有电压型和电流型两种，其中电压型应用较多。通过对PWM整流电路适当控制，可以使PWM整流电路输入电流几乎接近正弦波，且电流电压同相位，功率因数近似为1，称为高功率因数变流器。c.采用带斩波器的二极管整流电路。带电容滤波的二极管整流电路尽管结构简单、成本低，但工作时输入电流含有大量谐波，若在整流桥与滤波电容间加一级用于功率因数校正的功率转换电路，则可以使输入电流接近正弦波，且大大提高功率因数。d.矩阵式变频电路。该电路是一种用全控开关器件、采用斩波方式，不通过中间环节直接把一种频率的交流电变成另一种频率的交流电。3)合理设计用电系统，将非线性负荷与敏感负荷分开，分别由不同母线供电。4)有变频控制需要的用电设备，其变频装置应尽量靠近被控设备安装，并抑制谐波;对一些谐波源较大的回路就地设置有源滤波器。5)适当增大回路中配电线的线径，减小谐波电流对导线的影响和避免电气火灾。6)严格选用符合电磁兼容性要求的电力电缆、信号电缆及通信电缆。

2.2 设计谐波补偿装置来补偿谐波

1)无源电力滤波器。无源电力滤波器由一组串并联的电容器、电感器和电阻元件构成，利用其在某一谐波频率下谐振时的低阻抗状态对谐波形成分流，从而降低注入电网的谐波电流起到滤波作用。无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。

另外，无源滤波器滤波效果与系统运行参数密切相关。在某一谐波频率串联谐振时形成低阻抗对谐波分流时，会在相邻的较低频率和系统阻抗并联谐振形成高阻抗。如并联谐振点发生在整数次谐波且该次谐波有相当数量的谐波电流，则可能导致高电压和大电流，引起高频放电、过流跳闸等问题。

2)静止无功补偿器(SVC)。静止无功补偿器是电网中控制无功功率的工具，它根据无功功率的需求量自动进行补偿，所以是一种动态补偿装置。除了可抑制谐波以外，特别适合于抑制快速变化的谐波源所产生的电压波动和闪变。三相SVC有抑制三相不平衡的作用。SVC使用晶闸管来快速调整并联电抗器的大小及投切电容器组，并可兼有事故时的电压支持作用，维护电压水平，消除电压闪变、平息系统振荡等。可以静态或动态地使电压保持在一定范围内，从而提高电力系统的稳定性。

3)有源电力滤波器(APF)。图1为电力有源滤波器基本原理图。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应;可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节;补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大;即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能发生正常补偿作用;受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振;能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响;既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功集中补偿。

4)电能质量综合补偿(UPQC)。为有效抑制建筑中大量的单相非线性负荷产生的谐波和无功功率，提高配电系统的电能质量，一种由SAPF和PAPF组成的有源电力滤波器UPQC产生。该装置的SAPF进行电压补偿，PAPF进行电流补偿。对用户端来说，它能有效地补偿市电中谐波，防止市电中的谐波污染负载，为负载提供优质的电能。用UPQC补偿后的配电系统将成为一个无电压闪变、无电压波动、无谐波的实时化柔性供电网。图2为一台单相UPQC综合治理单相配电系统的方案。

5)谐波保护器。谐波保护器能从源头消除谐波污染，为用电设备提供谐波保护，是一种并联在用户电路中的电力装置，可以连续地监测电力系统中电流的状态，同时阻隔并吸收电路中的高次谐波，使各类设备本身产生的谐波不干扰其他设备。谐波保护器可对波形进行纠正，在消除谐波的同时，可消除对用电设备极具破坏性的浪涌电压、尖峰信号等杂波，从而使各相电路中的电流、电压趋于平衡，相位差保持一致，充分发挥了各类设备的设计功能。当消除谐波后，导体的集肤效应将会大大减少，可避免导体的温度升高。另外，由于导体中高频谐波引起的涡流现象，会造成大量的能量损失。使用谐波保护器以后，可以很好地消除电流涡流，降低损耗。

6)谐波抵消电抗器。在涉及大电流时采用磁性方法治理谐波比有源滤波器有更低的成本。用磁场相互抵消方法解决谐波问题，没有电容器，仅仅是磁性设计方案，因此具有很高的可靠性与使用寿命;对3次序列谐波，即3次谐波的奇数整数倍(如3，9，15，21，27)的治理，采用低的零序阻抗;对5，7，9，11，13等次谐波的治理采用相移办法，对3次谐波有很低阻抗，能清除3次谐波和中性线对地电压，它与负载并联连接，安装在配电柜内或竖井中，成本低，降低不平衡电流。

3 结语

20世纪80年代以来，利用功率开关的有源电力滤波器(APF)的研究越来越引起人们的关注，被认为是治理电网谐波的最有前途的方法。有源电力滤波器的工业应用尚处于初期阶段，日本和美国已有此类产品投入实际运行。我国还处于研制阶段，有关研究还停留在实验室研究和工业化实验阶段，到目前为止，有源电力滤波器还未能在我国得到广泛运用。

近来，国外又提出了“用户电力技术”(Custom Power Technology)这一解决谐波及无功功率问题的新概念，即使用电力电子技术提高供电可靠性并实现电能质量严格控制。用户电力技术是将现代电力电子技术、自动控制技术和数字信号处理技术等高新技术结合，为用户提供特定要求的电力供应的技术。将它运用于中、低配电系统，能有效地抑制谐波，补偿无功功率，消除电压波动和闪变、各相电压不对称，从而提高供电的安全性和可靠性。

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