有源电力滤波器在建筑工程设计中的选型与应用

黄云鹏

摘要：电力系统中，由于非线性负载的大量应用，谐波污染问题在建筑领域中的影响也日趋严重。本文简要阐述了谐波产生的原因，以及有源滤波器的工作原理，并结合工程实例提供了两种工程选型的思路。

关键词：有源电力滤波器；谐波治理；工程选型

Abstract: In power distribution system, due to the mass application of non-linear loads, harmonic pollution problem has a growing impact on construction area. This paper briefly states how the harmonic raise and explain the working function of Active Power Factor, and provide two methods for equipment selection combining with a construction case.

Key words: Active Power Factor；harmonic control；equipment selection

中图分类号： TU85 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

1．引言

在公共民用建筑中，电力系统应该供应具有正弦波形的电压。然而在实际应用中，由于非线性负载的存在，产生了谐波，对公共电网及各种终端用户产生着不同程度的危害及隐患。在过去，谐波主要产生于工业设备，如中频炉、电弧炉、由直流电动机控制的生产线等等。而近年来随着电力电子技术的迅猛发展，大功率可关断器件（如GTR,GTO,IGBT等）得到了广泛推广，开关电源、变频器、UPS、可控硅调光设备等已经渗透到了公共民用建筑领域的很多角落。然而这些设备也恰恰是谐波的产生源，其广泛应用也同时造成了电网谐波污染，使电力系统的发电、供用电设备出现许多异常现象和故障。本文即探讨一下在公共民用建筑设计中，如何恰当选择滤波设备以消除谐波。

2．谐波的定义及来源

当正弦波电压施加在非线性负载上，电流就变成了非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对非正弦波作傅里叶级数分解，其中频率与工频相同的分量成为基波，频率大于工频的分量成为谐波。

一般以总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）来表示谐波大小，其值为周期性交流量中的谐波含量的方均根值（R.M.S. value）与其基波分量的方均根值之比，用百分数表示；电压总谐波畸变率以THDu表示；电流总谐波畸变率以THDi表示。

用电设备产生谐波是由于供配电系统中存在非线性负载，非线性负载用电设备主要有开关电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器（如电视机）等。

3.有源滤波器原理

有源电力滤波器以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波，从而实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。

通俗的讲，有源电力滤波器就是一个可控的谐波电流源，通过其产生的新的谐波来抵消系统中需去除的谐波。其检测功能及过负荷保护功能可以使其产生系统所需要的补偿电流。若有源滤波器容量过小，则最大滤波器可产生的最大反向电流小于可能产生的最大谐波电流，滤波效果不足；若有源滤波器容量过大，虽然能够满足滤波要求，但造成了经济上不必要的浪费。因此为了能够既有效又经济的滤波，就需要设计人员在初期较准确的估计滤波器容量，合理选型。

4.设计选型实例

笔者结合某学校剧场建筑的设计，探讨一下有源滤波器在实际设计中的选型。

剧场建筑中的主要谐波源为舞台的可控硅调光系统，主要为5、7、11、13次谐波。其舞台灯光组合类别繁多，谐波电流大小有范围大、多样化、动态化的特点。且剧场建筑中电声系统、计算机系统对谐波的敏感度高，易受影响，因此必须对谐波进行治理。

为确保选型合理，下面通过两种方法分别对同一项目进行设备选型。

4.1理论计算选型法：

该项目中，舞台调光设备总额定功率400kW，根据（1）式计算出额定电流为722A。

（1）

其中， ——设备功率，W；

——调光设备额定电压，V；

——调光设备额定电流，A；

——调光设备功率因数，取0.8。

表1所示为常用整流器负荷电流的谐波次数、谐波电流及含量（理论最大值）。

表1

故。预计设备运行总谐波电流值为196.4A，有源电力滤波器容量选择即依据此计算值进行。同时考虑一定余量，可选择2台100A以及1台30A的有源电力滤波器。

下面再通过设备实测法从另一个角度进行设备选型。

4.2设备实测选型法：

结合所选有源电力滤波器厂家实测数据进行设计。

剧场舞台应用的调光设备，其基本原理为利用相控整流调节输出电压幅度，通过改变可控硅的控制角的大小来控制灯泡两端电压的变化，从而实现灯光亮度的调节。

通过厂家对某电视台的调光设备在不同负载率条件下进行测试，其负载开关下接有控制1～240#灯的调光装置。

检测内容：三相电压和电流有效值、谐波畸变率、基波幅值、各次谐波幅值和总谐波电流幅值。由于要测试不同工况下的谐波分布，本处测试分为10组，分别测试负载功率为其额定功率10%～100%情况下的谐波情况，每10％为一档。测试数据如表2所示。

表2

根据产品应用实测数据表格，分析可知，调光设备在负载为20%时（相当于负载率452.07/721.97=62.6%），谐波电流最大，谐波电流畸变率达到57.4%左右。

因此对类似设备进行谐波治理可以这样设计有源电力滤波器（APF）容量，分析如下：

某开关下带有400KW的可控硅调光设备，设计APF容量。

设备的额定电流计算：

计算最大谐波电流：

考虑APF设计时还需要考虑一定的余量，最后定容为230A，即选用有源电力波器Asine/4L-400-100A×2台 + Asine/4L-400-30A×1台即可满足要求。

对比可知，两种方法结论一致，设备实测法选型结果印证了理论计算选型法，选型合理。

5.结论

有源电力滤波器是实现高质量电能标准要求的重要手段，但是其投入较高。因此，恰当的选择有源滤波器的容量，合理控制工程投入，是工程设计人员需要认真对待的实际问题。在工程设计时，应分析项目主要谐波特点，充分利用无源滤波器、有源滤波器各自的优势，确定合理补偿方式，提高功率因数，重点降低主要超标谐波分量，在满足国家相关规范技术指标的前提下，合理控制有源电力滤波器的选型容量。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。