大型商场供电系统电能质量治理分析

摘要

电能是现代商业和生活的主要能源系统，随着经济活动的极大繁荣，电力供应转化为产品和服务的综合体，电能质量成为电力系统中至关重要的环节。电能质量主要关注的三个指标：电压波动范围、功率因素和总谐波畸变率。随着电力电子技术的发展，动态无功补偿装置以及有源滤波装置成为目前电能质量解决方案的首选。本文针对常见的大型商场供电系统，对其用电特征及负载特性进行分析，提出其电能质量的一体化解决方案。从而为该类电力负荷的电能质量治理提供参考。

关键词

电能质量、功率因素、总谐波畸变率、动态无功补偿器、有源滤波器

一、 引言

电能作为当代社会最为成熟的能源系统，包括发电、输电、配电三个基本环节。对于380V的民用或工业用电，由于用电设备分散、负荷种类复杂、分布区域广泛且涉及到对用户用电的管理，更适合采用就地补偿的方式进行。即单个电力用户保证自己的负载设备对电网无污染或少污染，从而形成谁污染谁治理的电能质量维护机制，共同建设优质稳定的低压用电网络。

电能质量指标目前已经成为约束合理用电的重要保证，并受到越来越多的关注，其原因主要包括以下几点【2】：

1、新型用电设备对电能质量要求更高。新型设备中更多的采用了微处理器、电力电子器件，该类器件为高敏感元件，工作时易受电力系统中高频信号的干扰。

2、随着节能政策的推进，各类变频器等接入电网，在节约能源的同时也引入了相应的特征谐波。

3、越来越多的研究表明，电力设备的寿命、故障率等参数与电能质量密切相关，改善电能质量已经能够为社会经营活动带来明

确的收益。

随着人们生活方式的改变，大型综合购物的模式已经深受欢迎。优秀的广告展示、一站式的购物体验及高标准的硬件设施，成为大型商场的标准配置，而构建亮丽装饰的背后，是一个庞大而复杂的供电系统，该系统的电能质量是维持商场稳定运行的决定因素。同时大型商场作为人员密集场所，部分设施属于负荷分级中的一类负荷，其供电系统的电能质量优显重要。

二、 大型商场供电系统负荷分析

与电磁干扰类似，电力电子设备产生的谐波通过传导、电磁辐射或耦合等方式对电能质量、通信环境等造成持续性扰动，进而影响电力系统的安全稳定性。大型商场配置的设备，如视频显示设备、变频空调、荧光灯、UPS类电源等负载，这些非线性负载在实际运行中都会产生谐波及无功消耗。

视频显示类设备主要产生的谐波电流为3、5、7、9、11、13次谐波电流。3次谐波电流最大，有的视频显示类设备3次谐波含量接近基波含量，其次为5、7次。接于同一电源的视频显示类设备的电流脉冲基本上同时发生，所以其主要谐波电流几乎是同相位的叠加。所以由于视频显示类设备的数量极大，所以对配电系统的谐波影响很大。尤其是3次谐波电流基本为零序电流，会在低压系统的中性线上产生大量的零序谐波电流流过，造成中性线电流过载甚至引起火灾事故【1】。

文献【2】对空调的测试结果表明，空调的谐波电流大小依工作方式而定，除了只开风扇外，无论是制冷还是制热，THDi都不小，而且制热时功率及谐波电流均较大，由于空调的容量较大，其谐波电流含量也相应较大。空调负荷对供配电系统的谐波影响很大，必须采取适当方式减少空调负荷产生的谐波电流注入系统。

荧光灯特征谐波电流全为奇次谐波。线绕镇流器的电流含有率3次谐波较 高，可达8～10%。电子镇流器型脉冲式各齐次含有率15～18%，其中3次为70～80%，次数愈高，含有率愈低；高频时各谐波含有率低，一般为3～15%。

UPS设备的谐波源主要以整流器、蓄电池、逆变器和静态开关为主，其中整流器作为交直流变换的核心器件，其产生的谐波与整流设备关系密切，谐波次数及含量与整流脉冲数有直接关系；一般采用6脉冲、12脉冲，谐波特征主要有5次、7次、11次、13次等，实际运行经验表明， UPS电流畸变率普遍很高约在15%左右。

以上对各类谐波源的分析表明：在现代的用电系统中，谐波源类的设备比重很大，在享受设备带来的便捷服务的同时，其背后的谐波治理问题同样迫切。传统的无源滤波设备从相应速度、治理效果来看都有一定的缺陷。

三、 大型商场电能质量治理方案

针对大型商场供电系统现场，鉴于其负载分布的多样性、分散性及一类负载的供电可靠性要求，采用集中补偿+就地补偿的方式最为合理。以系统初始PF值为0.88为例，谐波电流畸变率为：首端（变压器侧）补偿： THDi一般取8%～15%，尾端（负载侧）补偿： THDi根据负载而定，一般为25%～80%，典型值为15%～45%。

通过基数参数系统计算与系统仿真验算，对于2000kVA变压器取集中侧混合滤波补偿治理额定容量为400kvar+100A，中央空调配电柜安装50A有源滤波器就地消除谐波。集中侧混合补偿采用“动静混合补偿”措施，即由固定电容器组（14%电抗率）补偿基本无功电流；采用有源滤波器通过合理的容量分配，实现补偿动态变化的无功电流，同时补偿谐波电流。

结合对大型商场供电系统的研究和实施经验表明，大型商场谐波治理偏向于谐波产生再消除的方式，采用集中治理的方式主要是因为尾端谐波治理（就地补偿）只是仅仅针对主谐波源产生的谐波治理，还有线路阻抗损耗、荧光灯、显示器等因素还会产生的谐波，加剧了首端的谐波含量，尾端治理后较小的畸变率在首端出现畸变较大现象。

四、 实施案例

武汉某大型购物商场为新建供电系统，其变压器配置为2台2000kVA，2台1600KVA，正常状态四段母线分裂运行，其无功补偿和谐波治理设备配置如下：2000kVA变压器集中补偿：电容补偿400KVAR，有源滤波装置（SYICD-APF）150A；1600kVA变压器集中补偿：电容补偿300KVAR，有源滤波装置（SYICD-APF）100A；同时在中央空调配电柜进行就地补偿，配置有源滤波装置50A。APF装置兼具有源滤波和无源补偿功能，可分配谐波治理和无功补偿比例。APF装置主要优势体现在动态补偿响应速度快，资源最大利用化，节省空间，完全符合国家节能减排的目标，使用效果明显，各项指标均能达标准要求。这些设备自运行以来，取得了良好的效果。

1、谐波含量达到国家标准限值，畸变率降低，提高了配电系统的运行稳定性和用电负荷的用电安全性，有效解决了低压配电系统存在的安全隐患；

2、提高了低压配电系统的功率因数，降低网络损耗，延长了配电设备使用寿命，等效增容了配电设备，降低了配电设备投资。

五、 结论

该型谐波和动态无功综合补偿方法在实际的工程应用中取得了良好的效果，通过对负载类型的特征谐波进行分析，同时结合动静混合补偿的技术方案，从实施成本和补偿效果上得到了很好的平衡性。同时自动补偿装置为并联设备，对电网稳定工作扰动极小，且具备完善的保护及裕量设计，从原理层面避免了与电网谐振的可能。在国家“节能降耗”的总体方针下，该技术方案及实施效果对各个行业有可借鉴之处。

六、 参考文献

1、《面向2010年世博会的精品供电策略研究》 上海市电力公司

2、《电力系统提高电能质量方法的研究与实践》 浙江工业大学 王佩君

3、《国内外电能质量控制水平及管理策略》 电力自动化设备第25卷1期

4、《IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality》 IEEE标准

5、《电力系统谐波技术》 上海交通大学 程浩忠

6、《JBT 11067-2011低压有源电力滤波装置》 中华人民共和国机械行业标准