重庆公共建筑节能改造技巧：降低谐波

1）基本概况

由于建筑电力电子设备的非线性和多样性特点，大量的谐波注入电力系统，造成系统效率变低，功率因数变差，并对其他设备和装置产生扰动，严重威胁电网的电能质量和用户设备的安全运行，使建筑电气系统能耗增大。

目前电网谐波的治理有两种技术途径。

①被动式治理，即通过一些谐波吸收装置吸收各个用户负载产生的谐波，以限制超过有关标准的过量谐波注入电网。这种谐波治理技术的应用对象主要是工业电网负载，目前有两种主要方式。

A.在电网上简单并联无源滤波器组。

B.在电网上串联或并联或混合联上电力有源滤波器。被动式治理的特点是先检测出负载产生的谐波电流或者谐波电压，再利用电力电子器件产生与该电流成一定比例的谐波电流或谐波电压抵消负载产生的谐波电流或者谐波电压的影响，使得流入电网的谐波电流达到最小。

②主动式治理，即设计出不产生谐波的变流器，使得负载自身不产生电流或电压谐波。主动式谐波治理技术的应用对象包括工业电网大功率负载。

在建筑中，采用适合的被动式治理方式，包括无源谐波治理和有源谐波治理两种。

（1）无源滤波

无源滤波器是目前广泛应用的电力滤波装置。根据目前投入使用的无源滤波器运行的电压等级，可大致分为大型滤波器及中小型滤波器。并且随着技术的发展和成熟，混合型电力滤波器——无源与有源滤波器技术的结合已经日趋完善，进入实际应用领域。

首先，在高压直流输电工程中，在换流变压器的两侧，常常安装无源直流滤波器和无源交流滤波器，分别安装在高压直流输电换流器的直流侧和交流侧。由于直流输电常常采用大容量远距离输电，故换流变压器直流侧的输电电压等级常常达到几百千伏，其母线短路容量常常达到几千兆瓦，如英法海峡直流工程，直流输电电压±270 kV，总输送功率为200 MW；我国的葛洲坝—南桥直流输电工程，其运行指标为±500 kV，1 200 A，1 200 MW。同时，换流变压器交流侧的母线电压等级通常为110/220/500 kV。按电网等级分，应用于高压直流输电工程的无源电力滤波器，常常属于大型滤波器。除滤波作用外，无源直流滤波器与无源交流滤波器在具体技术要求稍有不同：交流侧滤波装置在基波下呈电容性，因而可兼作无功补偿装置，设计时应与无功补偿装置结合考虑；而直流侧滤波装置主要限于抑制对邻近通信线路的干扰，因此，所考虑的频率范围通常从基波到100次谐波。

其次，对于工业领域的非线性负载，如电弧炉、电气化铁路、变频调速装置等，常常采用就近谐波补偿的原则，安装无源交流电力滤波器，对其产生的谐波进行补偿，以确保这些非线性负荷的正常工作，并同时尽可能减小对外界电网的污染。安装在这类非线性负载侧的无源电力滤波器，电压等级常常为几百伏到几十千伏。例如，对通常安装在电解铝设备调压变压器第三绕组的滤波设备，其电压等级一般为22 kV。电弧炉或者中频炉二次侧的电压等级为1～3 kV。对于380 V系统的无源滤波器目前都已基本实现了系列化的生产，基本都以串联6%电抗率的单调谐滤波器为基本单元，按照需要补偿的无功容量计算所需单元的个数。在保证有一定的滤波效果的前提下，将功率因数补偿到0.9以上。对于安装在该电网等级下的无源电力滤波器，常常称为中小型滤波器。

再次，无源电力滤波器由于其既可兼顾无功补偿和电网调压的需要，也是较为先进的混合有源滤波器的重要组成部分。无源电力滤波器结构简单、造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但其滤波的动态性能不好，频率发生偏离，效果变差，而且有可能与系统发生谐振，使流入系统的谐波电流过大，发生过载现象。而有源电力滤波器对各次谐波和分数次谐波都可以有效地抑制，而且在系统阻抗、频率发生波动时，不会影响补偿效果，不会产生谐振现象，并能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流。但结构复杂，造价高，运行损耗大，且容量较小。因此，无源电力滤波器仍然有着广泛的应用前景。

（2）有源滤波

有源滤波器具有优良的动、静态补偿性能，且补偿特性不受电网阻抗的影响，可实现集成化，一机多用。有源滤波器的关键是要能精确、实时地检测出谐波并进行分离，从而达到良好的补偿效果。有缘滤波器的各种接入方式及其作用如下。

①直接并连接入，用于抑制谐波源注入系统的谐波电流并补偿无功。

②串联接入，用于抑制电网谐波电压、电压波动与闪变。

③为弥补有缘滤波器容量较小的局限，采用并联有源滤波器与并联无源滤波器的混合型接入方式，这样无源滤波器既可抑制主要的谐波分量，又能吸收有源滤波器产生的附加高频谐波。

④串联有源滤波器与并联无源滤波器（或并联有源滤波器）的混合型接入，实现谐波电压、电压波动、电压闪变与谐波电流的综合抑制并补偿无功。

⑤有源滤波器与并联无源滤波器串联后再并联到电网上，使有源滤波器适用于高电压系统。

有源滤波器能从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流。从而使电网电流只含基波电流。它能对频率和幅值变化的谐波进行跟踪补偿且补偿特性不受电网阻抗的影响。

2）节能诊断

（1）节电量计算数据

数据如表7.9所示。

表7.9　谐波治理节电量计算数据

（2）示例

某采用有源滤波装置项目，实施后，计算线路节约电力和节电量所需的数据如表7.10所示（忽略各次谐波的电阻参数变化）。

表7.10　谐波治理项目实施前后参数表

统计报告期按典型月计算，假定报告期已包含典型负荷工况。根据表中数据，可得年（8 760 h）节约最大电功率为88.46 kW。

（3）计算标准依据

计算标准依据为《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549。

3）电能质量治理技术

（1）技术背景

现代电力系统中，电力电子设备的应用越来越广泛，各种非线性、冲击性、波动性和不对称负荷大量增加，造成诸如电压波动、电压跌落、谐波等电能质量污染日趋严重。电能质量的下降造成了巨大的经济损失，也使得用户侧的敏感性用电设备不能正常工作。现今，用户对供电可靠性提出更高的要求，对供电质量的敏感程度越来越高，相应对配电网络和电力供应商也不断提出新的要求。

随着经济的迅速发展，非线性负荷大量增加，非线性负荷将从电网吸收或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变，通常称这些非线性负荷为谐波源。目前，国际已公认谐波污染为电网的公害。另外，由于其他非线性、冲击性负荷的增加，以及电网内外发生故障造成的电压不对称、动态电压下降、波动等和谐波一起严重地恶化了电网电能质量，降低了电网供电的可靠性。而由于电压下降、谐波等电能质量问题将使产品下降甚至导致生产过程中断，从而造成巨大的经济损失，用户对电能质量提出了比传统的机电产品更新、更高的要求。因此，电能质量问题已引起国内外专家学者的广泛关注。

电能质量治理是改善电能质量指标的重要手段，是优质供用电的必要条件，也是节能降损的主要手段。电能质量治理的主要目的是：

①降低电能质量污染源接入对电网的影响，改善电网电能质量指标。

②节约能源，降低不必要的损耗。

③改善非线性负载的运行条件，提高工作效率。

④改善污染源企业内部其他设备运行工况，提高工作寿命，降低故障率。

⑤降低污染源负载对邻近用户的影响，减少电能质量的事故纠纷和投诉。

随着电能质量技术监督的深入，《中华人民共和国电力法》中与电能质量相关的条款实施执行力度的加大，以及与电能质量相关的治理处罚措施的颁布实施，电能质量治理已越发显得重要。

电能质量治理主要包括谐波抑制、无功补偿、电压调整、频率调节、三相不平衡治理、闪变抑制、瞬态电压事件的控制等。

常用的电能质量治理和控制手段并非单纯针对某一类电能质量的指标，而是某种手段能实现多个目的的电能质量治理。表7.11给出了几种常用手段。

表7.11　常用电能质量治理手段

（2）技术原理

①无源滤波器。无源滤波是由电容器、电抗器和电阻器经适当参数组合而成的滤波装置，运行中与谐波源并联，兼有谐波抑制与无功补偿的作用。它结构简单、运行可靠、维护方便，已在工程实际中得到了广泛应用。常用的3种无源滤波器的结构图及其工作原理如下。

A.单调谐滤波器。

单调谐滤波器电路图如图7.7所示。滤波器对n次谐波的阻抗为：

式中　下标fn——第n次单调谐滤波器的频率；

ωs——基波角频率。

工作原理：单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成的，谐振次数n为：(www.xing528.com)

在谐振点处，Zfn＝Rfn，因Rfn很小，n次谐波电流主要由Rfn分流，很少流入电网中，对于其他次数的谐波，Zfn≥Rfn，谐波分流很少。因此，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将流入无源滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。

图7.7　单调谐滤波器的电路原理图

B.高通滤波器。

高通滤波器也称为减幅滤波器，图7.8中给出了4种形式的高通滤波器。

图7.8（a）为一阶高通滤波器，一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。图7.8（b）为二阶高通滤波器，二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶高通滤波器相比，其基波损耗也较高。图7.8（c）为三阶高通滤波器，三阶高通滤波器比二阶高通滤波器多一个电容器C2。C2容量与C1相比很小，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少了基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。图7.8（d）为C型高通滤波器，C型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间。C2与L调谐在基波频率上，故可大大减少基波损耗。缺点是对基波频率失谐，对元件参数漂移比较敏感。

图7.8　高通滤波器

C.双调谐滤波器。

双调谐滤波器电路如图7.9所示。双调谐滤波器有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感L1承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗，所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低得多。

由于双调谐滤波器的投资较少，近年来在国内外一些高压直流输电工程中有所应用。但是，双调谐滤波器的主要问题在于结构比较复杂、调谐困难，因此应用还较少。

②有源滤波器。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，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制的缺点。电力滤波器的系统构成的原理图如图7.10所示。

图7.9　双调谐滤波器原理图

图7.10　有源滤波器系统构成图

其基本工作原理：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。

③有源线路调节器。它是一种结构上基于有源滤波器的装置，通过单节点单装置的装设，可达到多节点谐波电压的综合治理。其工作原理是单台有源线路调节器向网络中某个优选节点注入消谐补偿电流，利用补偿电流在网络一定范围内的传输，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。有源线路调节器的结构如图7.11所示。

有源线路调节器可按照不同的谐波抑制标准选择不同的消谐电流注入方式，从而达到不同的谐波抑制目的，同时也实现了有源滤波器的闭环运行。因此，有源线路调节器的应用为谐波治理提供了一种新的方法和手段，对下述场合的谐波综合治理将会有一定的作用。

A.存在多个谐波源的工业小区或商业区。

B.局部网络内有很多小的、位置未知的谐波源。

C.局部网络背景谐波电压的综合治理。

图7.11　有源线路调节器结构示意图

④动态电压恢复器（Dynamic Voltage Regulator，DVR）。动态电压恢复器相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源，采用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，如电压跌落、电压不平衡及谐波等。当直流侧能量通过从系统整流获得时，在系统侧即使发生单相故障，其他两相仍可以提供电能来维持DVR的正常运行，补偿长期的电压跌落也成为可能。如果在直流侧电容两端并联蓄电池，或采用大容量电容储能，该装置还可起到UPS的作用，即在系统侧发生短期故障时可以向负荷提供一定时间的功率。采用合适的拓扑结构，DVR可以综合地治理配电系统中的动态电压质量问题，如跌落、浪涌；稳态电压质量问题，如谐波、波动、三相不平衡等，是一个多目标的电压质量综合治理装置。

（3）节能效果

电能质量治理在公共建筑上的节能效果，应从公共建筑电力用户和所用电力系统两方面考虑。其中电力用户的节能效果表现为直接经济效益和企业内部设备运行可靠性提高，电力系统的节能效果表现为对电网及周边用户的影响减少。

①电力用户直接经济效益。

A.减少功率因素罚款，甚至得到功率因素奖励。

B.节约能源。

②企业内部设备运行可靠性提高。

A.电动机、电容器、电缆等故障率下降。

B.电动机运行平稳。

C.变压器温升下降，噪声明显降低。

D.减少生产性服务成本。

③对电网及周边用户的影响减少。

A.系统供电变电所内电容器、变压器问题减少。

B.周边用户用电设备故障率下降。

C.用户投诉下降。

（4）经济分析

近年现代化楼宇建筑向楼宇自动化方向迅速发展，用电设备中的非线性负荷用电设备数量和比重都迅速增大，对城市电网造成的电能质量污染日益严重。

在这些大量自动化设备里面，常见的非线性负载有下列方面：视频显示类设备（CRT和LCD型显示设备），计算机设备，空调，各类节能照明设备（荧光灯、各种高压气体放电灯、调光灯等），办公类用电设备（打印机、复印机、扫描仪、投影仪等），调速驱动（变频水泵、空调用压缩机、大型电梯）。这些都将成为低压供电系统的谐波畸变扰动源。

谐波治理通过对谐波的治理可提高供电网络的可靠性，有效保护中性线及用电设备，减少安全隐患，节约能耗。

以某办公大楼为例，存在的主要问题为：办公大楼中办公设备、电梯、照明设备等非线性负载工作时，使电压、电流发生畸变，中性线电流过大，中性线绝缘老化造成开关经常跳闸。通过有源滤波器对整个办公大楼进行总补偿，分析如表7.12所示，其中THDi表示电流总谐波畸变率。

表7.12　谐波治理应用分析表

有源滤波器投入前后电流波形对比如图7.12所示。

图7.12　有源滤波器投入前后电流波形（左为投入前，右为投入后）

有源滤波器投入前后电流谐波含量对比如图7.13所示。

图7.13　有源滤波器投入前后电流谐波含量（左为投入前，右为投入后）

从图7.12、图7.13中可以得知，有源滤波器投入使用后，该办公大楼的供电系统中各相电压、电流畸变率大大降低，保证了供电网络的安全可靠性，间接实现了节约能耗的作用。