建筑供電質(zhì)量情況及策略

1、建筑供電質(zhì)量情況及策略1研究背景及意義 根據(jù)美國(guó)電力科學(xué)研究院的一項(xiàng)關(guān)于電能質(zhì)量的粗略估計(jì)，認(rèn)為當(dāng)今和電能質(zhì)量相關(guān)的問(wèn)題在美國(guó)每年造成的損失高達(dá)260億美元。而根據(jù)1992年日本電氣協(xié)會(huì)發(fā)表的一項(xiàng)關(guān)于對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題之一諧波源的調(diào)查報(bào)告中指明：最大諧波源來(lái)自整流器的用戶占全部用戶的90，而在各行業(yè)產(chǎn)生的諧波量分布中，由建筑產(chǎn)生的諧波量占總數(shù)的406，見(jiàn)圖1產(chǎn)生諧波的行業(yè)分布情況。因此，研究和改善建筑供電電能質(zhì)量，使之滿足居民生產(chǎn)、生活水平發(fā)展的需求已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑電氣領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一。 2建筑供電電能質(zhì)現(xiàn)狀 21建筑內(nèi)用電設(shè)備供電電能質(zhì)量現(xiàn)狀建筑內(nèi)非線性用電設(shè)備主要有：電視機(jī)、各種

2、熒光節(jié)能燈、空調(diào)機(jī)、計(jì)算機(jī)、充電器和信息技術(shù)設(shè)備等，這些設(shè)備大多數(shù)為數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，容量小，但數(shù)量極多，其整體對(duì)諧波的影響嚴(yán)重。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，居民和商業(yè)用的非線性負(fù)荷早已成為電網(wǎng)背景諧波的重要組成部分，我國(guó)幾個(gè)大城市將要或已經(jīng)進(jìn)入這個(gè)階段。下面將幾種用電設(shè)備的電流總諧波畸變率THn總結(jié)在表1中。從以上的數(shù)據(jù)可以看出電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓總諧波畸變率均在國(guó)標(biāo)限值以內(nèi)，但電壓總諧波畸變率接近限值，電流總諧波畸變率較大，特別是中性線電流總諧波畸變率很大。 23某學(xué)校供電電能質(zhì)量現(xiàn)狀從表3測(cè)試結(jié)果分析可知：三相電壓比較正常，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的+7，一10要求。頻率偏差符合國(guó)標(biāo)規(guī)定，不超過(guò)2的要求

3、。三相電壓不平衡度均在2以下，符合國(guó)標(biāo)要求。GWr145491993(電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波規(guī)定，380V低壓系統(tǒng)的電壓總諧波畸變率(THD)的限值為5O，奇次諧波含有率的限值為40。電壓總諧波畸變率嚴(yán)重超標(biāo)，在7以上。 24某大型商用辦公樓供電電能質(zhì)量現(xiàn)狀從上面數(shù)據(jù)看出，諧波總畸變率均超過(guò)國(guó)標(biāo)限值要求，用戶電路的諧波畸變水平最高，特別是高層用戶接入系統(tǒng)的公共連接點(diǎn)上的THD值普遍超標(biāo)，有的甚至超出2到3倍。綜上所述，現(xiàn)代建筑供電頻率偏差一般不超過(guò)2的要求，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。電壓偏差、三相電壓不平衡度較小，一般都在國(guó)標(biāo)限值以內(nèi)。建筑供電的質(zhì)量問(wèn)題主要是諧波，特別是電流波形畸變較嚴(yán)重，且電流中含有大量

4、三次、五次諧波，偶次諧波很小，甚至可以忽略：中性線上的電流主要是三次諧波電流。 3建筑供電電能質(zhì)量的對(duì)策 31電壓偏差、波動(dòng)和閃變、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓的改善措施 311采用隔離變壓器、穩(wěn)壓器和濾波器組合系統(tǒng)該系統(tǒng)能消除電網(wǎng)中的瞬變干擾、較大負(fù)荷啟動(dòng)和制動(dòng)引起的電壓波動(dòng)、電磁干擾等。其優(yōu)點(diǎn)是投資少、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低等；其缺點(diǎn)是對(duì)突然停電或電網(wǎng)出現(xiàn)較大頻率波動(dòng)沒(méi)有防護(hù)。 312不間斷供電電源不間斷供電電源具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抗干擾、防浪涌等功能；當(dāng)遇到突然停電時(shí)，不問(wèn)斷供電電源可以對(duì)用電設(shè)備繼續(xù)供電一段時(shí)間，使人們能及時(shí)處理計(jì)算機(jī)等設(shè)備中內(nèi)存的信息，或者立即啟動(dòng)備用電源。 313高頻

5、信號(hào)保護(hù)器高頻信號(hào)保護(hù)器主要防止天線的雷擊和感應(yīng)雷電。因?yàn)樘炀€受雷擊或雷電感應(yīng)時(shí)，天線對(duì)偶極子上都將形成對(duì)地的暫態(tài)過(guò)電壓。天饋線上兩極導(dǎo)線上的暫態(tài)過(guò)電壓是對(duì)共同地的，形成共模暫態(tài)電壓。高頻信號(hào)保護(hù)器的內(nèi)部，采用特制的電感線圈，線圈兩頭并接在饋線上，中心抽頭接地。高頻信號(hào)保護(hù)器，主要用于防護(hù)雷擊或雷電感應(yīng)引起的天饋線對(duì)地的共模暫態(tài)電壓幅值，從而保護(hù)通信設(shè)備免受暫態(tài)過(guò)電壓侵害。 314瞬變浪涌保護(hù)器暫態(tài)過(guò)電壓是配電系統(tǒng)中最常見(jiàn)的干擾形式，雷電僅是一種；主開(kāi)關(guān)操作、補(bǔ)償電容器的切換、重負(fù)荷的啟動(dòng)和運(yùn)行等，都會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓。大部分過(guò)電壓的產(chǎn)生帶有隨機(jī)性和重復(fù)性，往往伴隨電網(wǎng)中其他干擾的發(fā)生而產(chǎn)生。采

6、用瞬變浪涌保護(hù)器，來(lái)限制暫態(tài)過(guò)電壓和分走浪涌電流，保障電子設(shè)備免受暫態(tài)過(guò)電壓的干擾和侵害。 315電源過(guò)電壓保護(hù)器雷電及其它瞬變浪涌沖擊現(xiàn)象，對(duì)電子計(jì)算機(jī)等微電子設(shè)備造成很大的危害。電源過(guò)電壓保護(hù)器是利用快速響應(yīng)模塊，通過(guò)其優(yōu)良的非線性伏安特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制暫態(tài)過(guò)電壓的。在正常工作時(shí)，模塊呈高阻抗特性，泄漏電流很低不影響正常工作：當(dāng)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)，模塊呈低阻抗特性，使暫態(tài)過(guò)電流迅速泄放，從而抑制暫態(tài)過(guò)電壓，維持電壓穩(wěn)定。 32改善諧波的方法和措施在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑的低壓供電網(wǎng) 總諧波電壓畸變率限值尚無(wú)明確規(guī)定時(shí)，可考慮將電源系統(tǒng)的總諧波電壓畸變率限制在5以下。若超過(guò)5應(yīng)適當(dāng)采取防范措施，以保證建

7、筑供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。抑制諧波的方法有兩種，一是設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都適用；另一種是合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，而且功率因數(shù)接近為1。 321合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行改造，選用低諧波源用電設(shè)備采用D，vn型配電變壓器。在D，yn聯(lián)結(jié)組變壓器中，3n次諧波勵(lì)磁電流在其接線的一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，不注入到公共的高壓電網(wǎng)中去，較一次繞組Y接線的Y，vn聯(lián)結(jié)組變壓器更有利于抑制諧波。對(duì)變流器本身進(jìn)行改造，采用高功率因數(shù)變流器。具體可以有采用整流電路的多重化，即將幾個(gè)橋式接流電路以串聯(lián)方式多重聯(lián)結(jié)，可以減少輸入電流諧波；采用PWM整流電路；采

8、用帶斬波器的二極管整流電路：采用矩陣式變頻電路等等。合理設(shè)計(jì)用電系統(tǒng)，將非線性負(fù)荷與敏感負(fù)荷分開(kāi)，分別由不同母線供電。對(duì)有變頻控制需要的用電設(shè)備，其變頻裝置應(yīng)盡量靠近被控設(shè)備安裝，并抑制諧波：對(duì)一些諧波源較大的回路應(yīng)就地設(shè)置有源濾波器。適當(dāng)增大回路中配電線的線徑，減小諧波電流對(duì)導(dǎo)線的影響和避免電氣火災(zāi)。嚴(yán)格選用符合電磁兼容性要求的電力電纜、信號(hào)電纜及通信電纜。 322設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波 (1)無(wú)源電力濾波器。無(wú)源電力濾波器由一組串并聯(lián)的電容器、電感器和電阻元件構(gòu)成，利用其在某一諧波頻率下諧振時(shí)的低阻抗?fàn)顟B(tài)對(duì)諧波形成分流，從而降低注入電網(wǎng)的諧波電流起到濾波作用。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是投資少、

9、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，因此無(wú)源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)在于其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)其它次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，在特定情況下可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振：諧波電流增大時(shí)濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過(guò)載：有效材料消耗多，體積大：且在兼顧其它性能，如抑制電壓偏差和不平衡度、以及由波動(dòng)性負(fù)荷產(chǎn)生的無(wú)功倒送問(wèn)題有時(shí)難以協(xié)調(diào)。 (2)有源電力濾波器(APFo有源電力濾波器(APF)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，之所以稱(chēng)為有源，顧名

10、思義該裝置需要提供電源，圖2電力有源濾波器基本原理圖其應(yīng)用可克服無(wú)源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)(傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。圖2為電力有源濾波器基本原理圖。有源電力濾波器的主要特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率都進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)?？赏瑫r(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)。補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件：補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大。(即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能發(fā)生正常補(bǔ)償作用。受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償

11、性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功集中補(bǔ)償。APF按與系統(tǒng)連接方式分類(lèi)，可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、混合型和串一并聯(lián)型。 (3)諧波保護(hù)器。諧波保護(hù)器能從源頭消除諧波污染，為用電設(shè)備提供諧波保護(hù)，是一種并聯(lián)在用戶電路中的電力裝置，可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)中電流的狀態(tài)，同時(shí)阻隔并吸收電路中的高次諧波，使各類(lèi)設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波不干擾其他設(shè)備。諧波保護(hù)器可對(duì)波形進(jìn)行糾正，在消除諧波的同時(shí)，可消除對(duì)用電設(shè)備極具破壞性的浪涌電壓、尖峰信號(hào)等雜波，從而使各相電路中的電流、電壓趨于平衡，相位差保持一致，充分發(fā)揮了各類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)功能。 (4)諧波抵消電抗器。在涉及大電流時(shí)

12、采用磁性方法治理諧波比有源濾波器有更低的成本。用磁場(chǎng)相互抵消方法解決諧波問(wèn)題，沒(méi)有電容器，僅僅是磁性設(shè)計(jì)方案，因此具有很高的可靠性與使用壽命：對(duì)3次序列諧波，即3次諧波的奇數(shù)整數(shù)倍(如3、9、15、21、27)的治理，采用低的零序阻抗；對(duì)5、7、9、l1、13等次諧波的治理采用相移辦法，對(duì)3次諧波有很低阻抗，能清除3次諧波和中性線對(duì)地電壓，它與負(fù)載并聯(lián)連接，安裝在配電柜內(nèi)或豎井中，成本低，降低不平衡電流。 323建筑配電系統(tǒng)諧波治理現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題 (1)存在的主要問(wèn)題。其一，目前尚無(wú)建筑電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家頒布的和國(guó)際上有關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均不適用于建筑；其二，很多建筑用戶只重視無(wú)功補(bǔ)償，提高功率

13、因數(shù)，不重視諧波治理。當(dāng)建筒諧波負(fù)荷較大時(shí)，如果僅僅考慮無(wú)功補(bǔ)償，會(huì)造成諧波放大，使電容器無(wú)法投運(yùn)：其三，技術(shù)上尚缺能綜合治理建筑低壓三相配電系統(tǒng)(380220V)和低壓?jiǎn)蜗嗯潆娤到y(tǒng)(220V)諧波和無(wú)功的電力電子裝置。 (2)建筑配電系統(tǒng)諧波治理現(xiàn)狀。低成本的無(wú)源濾波器是目前普遍采用的補(bǔ)償方法，但其濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，在特定情況下無(wú)源濾波器還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，并且因電容器組無(wú)功功率補(bǔ)償能力與公共連接點(diǎn)電壓的平方成正比關(guān)系，補(bǔ)償效果適得其反。8O年代以來(lái)，利用功率開(kāi)關(guān)的有源電力濾波器(APF)的研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注，被認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波的最有前途的方法。有源電力濾波器的工業(yè)應(yīng)

14、用尚處于初期階段，日本和美國(guó)已有此類(lèi)產(chǎn)品投入實(shí)際運(yùn)行。我國(guó)還處于研制階段，有關(guān)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化實(shí)驗(yàn)階段，到目前為止，有源電力濾波器還未能在我國(guó)得到廣泛運(yùn)用。近來(lái)，國(guó)外又提出了“用戶電力技術(shù)”(CustomPowerTechnology)這一解決諧波及無(wú)功功率問(wèn)題的新概念，即使用電力電子技術(shù)提高供電可靠性并實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量嚴(yán)格控制。用戶電力技術(shù)是將現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等高新技術(shù)結(jié)合，為用戶提供特定要求的電力供應(yīng)的技術(shù)。將它運(yùn)用于中、低配電系統(tǒng)，能有效地抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率，消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓不對(duì)稱(chēng)，從而提高供電的安全性和可靠性。國(guó)內(nèi)在電能質(zhì)量控制

15、方面的研究還處在起步階段，并且大都局限在諧波問(wèn)題的范圍內(nèi)，先后開(kāi)發(fā)了一些改善和提高電能質(zhì)量的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器(APF)、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器(UPQC)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)等，但這些裝置多采用集中式補(bǔ)償?shù)姆绞街塾陔娋W(wǎng)，著眼于用戶端的分布式電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置非常少，可見(jiàn)我國(guó)電能質(zhì)量控制水平方面與國(guó)外的差距非常明顯。 33三相電壓不平衡通過(guò)找出因電源電壓、線路阻抗、負(fù)荷特性因素導(dǎo)致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理設(shè)計(jì)單相負(fù)載的安裝位置等。該方案可以有效減小系統(tǒng)中琴序諧波的產(chǎn)生，有利于設(shè)備的正常用電，減小損耗。 4提高供電質(zhì)量的展望 41建立健全電能質(zhì)量監(jiān)督管理體系以

16、各級(jí)電力調(diào)度部門(mén)為中心，逐步加強(qiáng)對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的全面運(yùn)行監(jiān)測(cè)。這里“全面”的含義，包括電能質(zhì)量指標(biāo)的全面性、時(shí)間上連續(xù)性和監(jiān)測(cè)上普及性，使本系統(tǒng)的電能質(zhì)量受到全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)最終能真實(shí)反映用戶電能質(zhì)量狀況。 42完善電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系歷年來(lái)我國(guó)雖然制定了一些電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，但離市場(chǎng)運(yùn)作還有很大差距，表現(xiàn)在：電能質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不完善；電氣產(chǎn)品的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差距相當(dāng)大，對(duì)于大量干擾源的電氣產(chǎn)品，應(yīng)制定產(chǎn)生干擾的限制標(biāo)準(zhǔn)。 43加強(qiáng)電能質(zhì)量的測(cè)量和治理運(yùn)行監(jiān)督部門(mén)應(yīng)對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)做到全面運(yùn)行監(jiān)測(cè)。在電能質(zhì)量治理上必須遵循電力法規(guī)定，“誰(shuí)污染、誰(shuí)治理”的原則。目前在管理上應(yīng)加大宣傳力度，提高對(duì)電能質(zhì)量重要性認(rèn)識(shí)，在普及電能質(zhì)量知識(shí)基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的使用和治理措施選擇上不出錯(cuò)。 5結(jié)束語(yǔ) 建筑供電質(zhì)量，特別是諧波污染的日益嚴(yán)重已引起各方面的高度重視。隨著對(duì)諧波產(chǎn)生的機(jī)理、諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，將會(huì)找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時(shí)也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。加大對(duì)諧波研究的