楼宇配电系统的谐波和无功综合治理问题及其新思路研究

【摘 要】高层建筑楼宇自动化系统（设备自动化系统、办公自动化系统、通信自动化系统）中大量自动化设备需要高质量的电源，但同时其中相当数量的设备由于具有非线性负载特性，又是引发低压供电系统谐波畸变的扰动源。对供电系统造成严重污染，使电能质量下降，不仅给楼宇中的电气设备、电子设备及楼宇智能化系统带来严重的危害和不良影响，并且对楼宇BAS供电系统以外的电气与电子设备带来危害。由谐波和无功引发的各种事故和故障，给国民经济生产和生活造成严重损失。

【关键词】建筑电气；供电谐波；无功补偿；混合补偿；可靠性；安全性；经济性

0 引言

随着科学技术的进步，生产和生活领域中的自动化、智能化设备应用越来越普遍，对电能质量提出了更高的要求。其一，楼宇BAS中由大量的电子设备及电气设备谐波源产生的谐波对配电系统严重污染，随着楼宇及智能小区迅速发展，若治理不力，这种污染愈来愈重，甚至成为公用电网的主要污染源。因此，综合治理好楼宇的谐波和无功功率，对提高公用电网的电能质量有十分重要的意义；其二，综合治理楼宇的谐波和无功功率，能提高楼宇配电系统的供电质量，提高供电的安全性和可靠性，切实保证楼宇智能化系统等设备的安全正常运行，提高楼宇的功能和效益。

1 谐波抑制方法及存在的问题

抑制谐波的方法有两种，一是设计谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用；另一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，而且功率因数接近为1。传统的谐波补偿方式采用由LC组成的无源滤波器，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。它具有结构简单，前期投资少，运行可靠性高，运行费用低等优点，因而得到广泛的运用。但是LC滤波器存在一些难以解决的问题。

（1）只对设计要求规定频率点的谐波滤波效果较好，对其它频率谐波滤波效果不明显。

（2）负载谐波电流过大时可能造成无源滤波器过载，损坏滤波器，造成事故。

（3）无源滤波器的滤波效果与系统的运行状况相关，当电网系统阻抗和频率变化时，难以保证滤波效果。

（4）对特殊的谐波或系统阻抗和频率变化，可能与电网阻抗发生串联或并联谐振现象，造成电压波形畸变和谐波电流放大，引起无源滤波器过压过流，甚至损坏，影响电网的稳定性。

近年来，有源电力滤波器取得了长足的发展，被认为是治理电网谐波的最有前途的方法降。有源电力滤波器的基本原理是检测出补偿对象中谐波电流的大小，由有源电力滤波器产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流抵消谐波电流，使电网电流只含基波分量。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能对变化的电网谐波进行动态跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗变化影响小，不存在谐波放大的危险，储能元件容量小。但是，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工业领域得到广泛应用。

2 无功功率补偿方法及存在的问题

电网用户中，不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，大多数负载也消耗无功功率。由于电网容量的增加，对电网无功的需求也越来越大，如果无功电源容量不足，系统运行电压将就难以得到保证。电网功率因数和电压的降低使电气设备得不到充分利用，降低网络传输能力。因此，解决好供配电网络无功补偿问题，对电网的安全运行和降低电网损耗、节约能源有着重要意义。

（1）早期的无功功率补偿装置是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率，同时对变化的无功功率也能进行动态补偿。其缺点是反应速度慢，损失较高，价格也比较贵。

（2）采用并联电容器也能对无功功率进行补偿。在与同步调相机调节效果相近的情况下，并联电容器方便灵活，而且费用比同步调相机少得多。它的缺点是只能补偿固定的无功功率，在系统有谐波的情况下，还可能发生并联谐振，烧毁电容器。

（3）静止无功补偿装置近年来发展很快，己被广泛应用于电力系统。其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应用。它的特点是能连续调节补偿装置产生的无功功率，而且响应速度快，也比同步调相机便宜。TCS只能分组投切，必须和TCR配合使用，才能连续调节无功功率。TCS和TCR配合使用，进行分相控制，还能平衡三相不对称负载，对负序电流起到一定的抑制作用。其主要问题是因TCR装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，产生大量的谐波。

（4）静止无功发生器是一种比SVC更先进的无功功率补偿器，通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感性。采用PWM控制时，可使输入电流接近正弦波。但其只能补偿无功功率，功能略显单一。

3 楼宇配电系统谐波和无功综合治理现状及存在的问题

办公楼宇中，一般很少有大容量的冲击性负荷，因此对动态无功补偿要求不高。楼宇谐波和无功综合治理方法是从用户、配电系统和输电系统三个从面统一、经济地处理。对于容量大的谐波源应就近安装滤波器，而对容量不大的谐波源可在系统母线上集中滤波；对于谐波限制不严格的用户，使用无源滤波器治理谐波：对于谐波限制严格的用户，将无源滤波器和有源电力滤波器结合起来使用。

存在的主要问题：其一，目前尚无楼宇电能质量标准，国家颁布的和国际上有关电能质量标准均不适用于楼宇；其二，很多楼宇用户只重视无功补偿，提高功率因数，不重视谐波治理。当楼宇谐波负荷较大时，如果仅仅考虑无功补偿，会造成谐波放大，使电容器无法投运；其三，技术上尚缺能综合治理楼宇低压三相配电系统（380/220V）和低压单相配电系统（220V）谐波和无功的电力电子装置。目前，一种方法是采用UPS，这种装置能保证用电设备的供电质量，但大多数UPS本身是一谐波源，对配电系统产生严重污染，并且UPS的造价高，不宜在楼宇中大力推广。另一种方法是采用ABB公司生产的串联型三次谐波滤波器THF，该装置能有效解决低压配电系统的三次谐波问题，但对其它高次谐波和无功功率的补偿则无能为力，更不能解决三相配电系统的负序电流。

4 楼宇供电谐波和无功综合治理新思路

成本的无源滤波器是目前广泛采用的谐波和无功功率补偿方法，但其滤波效果与系统运行情况密切相关，特定情况下还可能与系统发生谐振，并且其无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，不能随电压变化而进行有效补偿。并联型有源电力滤波器（APF）的补偿特性不受电网阻抗的影响，能对谐波和无功功率进行动态补偿。但是，目前大容量的APF存在造价高、功耗大以及电磁干扰较大等问题，在实际应用中受到限制，而可使APF容量降低的混合补偿方案可有效地解决APF存在的问题。

5 结束语

电能质量综合治理分析系统是一种节省投资的技术经济性能较好的补偿措施，分析谐波状态进行综合优化补偿方案制定。进行大容量的动态谐波和无功功率补偿时，最大程度地降低有源滤波器的容量，不仅可降低装置成本、减小损耗，而且可避免或减少大容量补偿时开关元件串并联所引起的问题。为楼宇供电谐波和无功的综合补偿提供一条新途径。

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