1 引言

近年來，各種現(xiàn)代化樓宇建筑向樓宇自動化方向迅速發(fā)展，這逐漸成為城市及國家發(fā)展的一個重要參照物。高層建筑樓宇自動化系統(tǒng)(設備自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng))中的大量自動化設備需要高質量的電源，但這些設備中相當一部分由于具有非線性負載特性，又成為引發(fā)低壓供電系統(tǒng)諧波畸變的擾動源。這些諧波源對供電系統(tǒng)造成嚴重污染，使電能質量下降，不僅給樓宇中的電氣設備、電子設備帶來嚴重的危害甚至對整個樓宇智能化系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

因此，分析引發(fā)辦公樓宇供電中諧波畸變的各類諧波源，并針對諧波畸變的危害提出適宜的治理措施，對高層辦公建筑中樓宇自動化系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。

　2 存在的問題

　　2.1 諧波來源

樓宇配電系統(tǒng)中的諧波主要來自兩個方面：一是負載本身含有大量的諧波源，這些諧波源可以產(chǎn)生大量的諧波電流，通過線路阻抗，又可以致使系統(tǒng)電壓中出現(xiàn)諧波電壓;二是公用電網(wǎng)本身含有一定量的諧波電壓，這部分諧波可以由網(wǎng)側傳輸至配電系統(tǒng)。

樓宇配電系統(tǒng)中的負載有以下特征：

(1)單相負載多

樓宇配電系統(tǒng)中，單相負載占到一半以上，而單相負載可以引起零序諧波，并能造成三相不平衡以及三相相差不對稱等問題。

(2)非線性負載比例高

樓宇配電系統(tǒng)中的主要設備有個人電腦、復印機、通訊設備、照明設備。部分樓宇配電系統(tǒng)中還會有UPS、一次電源等負載，這些負載都是樓宇配電系統(tǒng)中的主要諧波源。

(3)諧波源諧波畸變率大

據(jù)測試，樓宇配電系統(tǒng)中的諧波源的諧波畸變率都較大，如個人電腦諧波電流畸變率為100%，UPS畸變率約為20%-30%，一次電源諧波電流畸變率通常為40%-50%。

(4)樓宇配電中的大多數(shù)智能化及自動化設備對供電電能質量要求較高，特別是對諧波敏感。

　　2.2 諧波危害

樓宇配電系統(tǒng)的諧波電壓和諧波電流，對配電系統(tǒng)造成了極大的污染， 不僅惡化了電網(wǎng)電能質量，并對各種用電設備也造成了一定的危害。諧波對樓宇配電系統(tǒng)的危害主要有兩部分：

2.2.1 對配電網(wǎng)絡的危害

(1)使變壓器產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱量增加以及產(chǎn)生脈沖轉矩和噪聲;

(2)加速絕緣線纜老化、發(fā)熱量增加、壽命縮短。嚴重時使系統(tǒng)短路，發(fā)生配電故障甚至造成人身傷害;

(3)對斷路器、熔斷器、繼電器等各類保護設備產(chǎn)生干擾，使其誤動作或者舉動作。

2.2.2 對用電設備的危害

(1)使照明設備縮短壽命，對白光光源的照明設備影響更大。美國IES照明手冊明確指出，若諧波電壓畸變率達到5%，則白熾燈壽命縮短47%;

(2)使電壓表、電流表等各類電子測量設備測試誤差增加;

(3)容易引發(fā)無功補償設備的串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振，引起電容器漲肚甚至爆炸、導致無功補償設備無法投切、系統(tǒng)功率因數(shù)無法提高。

　　3 解決方案

目前的諧波治理設備主要有無源濾波器以及有源濾波器。傳統(tǒng)的無源濾波器具有結構簡單等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。但是隨著各配電中心對電能質量要求的提高，無源濾波器的局限性也逐漸凸顯?；诖?，有源濾波器(Active Power Filter)由于其卓越的諧波補償性能而被廣泛應用。相較于傳統(tǒng)的無源濾波器，有源濾波器主要有如下優(yōu)勢：

(1)動態(tài)補償，并可同時對諧波、無功、三相不平衡進行補償;

(2)受電網(wǎng)阻抗影響小，能抑制電網(wǎng)諧振;

(3)補償方式靈活，既可對特定的諧波源進行補償也可以對多個諧波源進行補償;

(4)可無限制過載，不會降低配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　4 工程案例

某配電大樓因配電系統(tǒng)中存在大量諧波導致配電系統(tǒng)中線電流過大，電纜有發(fā)熱現(xiàn)象并且變壓器溫度過高且噪聲明顯，因此希望通過安裝有源濾波器進行諧波治理。該大樓部分配電如如圖1所示：

　　圖1 大廈部分配電圖

　　在該配電系統(tǒng)中，選取如圖標示部分進行電能質量測試，發(fā)現(xiàn)該處的電流已經(jīng)發(fā)生明顯畸變，如圖2所示：

　　圖2 1#測試點諧波電流波形

　　由圖2可以看出：該測試點諧波電流已經(jīng)發(fā)生畸變，尤其是波峰和波谷部分有明顯的尖峰，這很有可能是有3次諧波含量較大引起的，這樣的諧波波形因為有峰值電路變大以及變化率di/dt大的特點，對配電系統(tǒng)的危害也更為明顯。

　　圖3 1#測試點電壓、電流頻譜分析

　　由圖3頻譜圖可以看出，該配電系統(tǒng)中含有較多的3次、5次、7次、9次、11次諧波。其中也是3次諧波尤為嚴重，而且3相不平衡嚴重引起中線電流過大、發(fā)熱嚴重等現(xiàn)象。

基于以上情況，該大樓決定采用Sinexcel系列有源濾波器對系統(tǒng)諧波進行治理，盛弘電氣針對該配電系統(tǒng)做出治理方案在系統(tǒng)總線處安裝Sinexcel 050 APF 一臺，對整個配電的諧波進行集中治理。具體方案如圖4所示：

　　圖4 大樓治理方案

　　經(jīng)過治理，該配電中心的電能質量得到改善，具體波形及頻譜圖如下圖所示： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

　　圖5 1#測試點治理后電流波形

　　圖6 1#測試點治理后電流、電壓頻譜

　　由圖5和圖6可以看出，在應用Sinexcel有源濾波器之后，該大樓的配電中心不僅有效對諧波進行了治理，同時也治理了系統(tǒng)的三相不平衡。這樣的治理效果，不僅消除了諧波對電網(wǎng)和設備的危害而且也消除了中線電流過大引發(fā)火災的隱患。具體數(shù)據(jù)見表1所示：

表1 應用Sinexcel系列有源濾波器前后數(shù)據(jù)對比

　　5 總結

通過表1的實際數(shù)據(jù)對比，我們可以發(fā)現(xiàn)，在應用Sinexcel系列有源濾波器之后，系統(tǒng)的諧波得以有效的濾除并且三相不平衡度也大大減小。這就說明Sinexcel系列有源濾波器有效的解決了改配電中性的諧波問題，是樓宇配電中心諧波治理的首選解決方案