熊小俊

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100044)

0 引言

大型辦公建筑、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)廠房等電力系統(tǒng)中存在大量感性負(fù)載和非線性負(fù)載，導(dǎo)致消耗大量無(wú)功功率，產(chǎn)生諧波電流。感性負(fù)載無(wú)功功率消耗會(huì)增加直接導(dǎo)致有功功率輸出減少，從而降低設(shè)備輸出效率和功率因數(shù)，典型設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等。同時(shí)，非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生諧波電流，如變頻器、UPS等。諧波電流對(duì)電能質(zhì)量和電氣設(shè)備的危害更是不言而喻。合理選擇無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制產(chǎn)品是解決以上問(wèn)題的重要途徑。

1 無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)品的分類(lèi)

眾所周知，供電部門(mén)明確要求用戶的平均功率因數(shù)在0.9以上。當(dāng)用戶用電設(shè)備自然功率因數(shù)偏低達(dá)不到要求時(shí)，則應(yīng)裝設(shè)必要的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，以提高功率因數(shù)。工程設(shè)計(jì)中，通常采用在變配電室低壓母線處并聯(lián)電力電容器的方式，補(bǔ)償或平衡電氣設(shè)備的感性無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。補(bǔ)償容量可通過(guò)估算或按公式(1)計(jì)算確定。主要產(chǎn)品分類(lèi)在下文進(jìn)行詳細(xì)闡述。

式中，tgφ1、tgφ2為補(bǔ)償前、后功率因數(shù)角的正切值；Pc為計(jì)算有功功率。

1.1 純電容補(bǔ)償

通過(guò)在電網(wǎng)中并聯(lián)固定電容器的方式，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。但由于配電系統(tǒng)中存在諧波電流，電容器受電流和諧振的影響，經(jīng)常發(fā)生電容器燒毀等事故。此類(lèi)產(chǎn)品屬于早期電容補(bǔ)償產(chǎn)品，現(xiàn)已不再使用。

1.2 LC安全補(bǔ)償

為避免用電系統(tǒng)中的諧波對(duì)電容器的影響，須在電容器前端串聯(lián)一定系數(shù)的電抗器，即構(gòu)成傳統(tǒng)LC安全補(bǔ)償裝置。同時(shí)，安全補(bǔ)償裝置因?yàn)榇?lián)電抗器，構(gòu)成了LC諧振回路，所以在補(bǔ)償無(wú)功的同時(shí)具有一定的諧波治理能力。

LC安全補(bǔ)償原理及諧波抑制:電容電抗串聯(lián)回路具有調(diào)諧頻率(電抗率7%-諧振頻率189Hz、電抗率14%-諧振頻率134Hz、)，對(duì)低于這個(gè)頻率的基波呈容性，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ埽瑢?duì)于高于這個(gè)頻率的諧波電流呈感性，呈現(xiàn)低阻抗的濾波功能。因此抑制三次及三次以上諧波采用電抗率為14%的電抗器，抑制五次及五次以上諧波選用電抗率為7%的電抗器。

LC安全補(bǔ)償分類(lèi):根據(jù)電抗器、電容器組投切開(kāi)關(guān)的不同，LC安全補(bǔ)償裝置又可分為兩種，一種為專(zhuān)用接觸器投切(靜態(tài)補(bǔ)償)，另一種為電子裝置投切，即晶閘管投切(動(dòng)態(tài)補(bǔ)償)。示意圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 LC安全補(bǔ)償

晶閘管投切與接觸器投切相比，具有對(duì)控制信號(hào)反應(yīng)速度快、通斷無(wú)次數(shù)限制、可實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)；市場(chǎng)晶閘管投切電容、電抗器典型裝置有SVC(靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置)，其直接將控制器、電容、電抗、晶閘管投切開(kāi)關(guān)及二次控制回路，進(jìn)行成套組柜。根據(jù)系統(tǒng)電壓、無(wú)功功率，通過(guò)智能無(wú)功補(bǔ)償控制器控制模組內(nèi)投切開(kāi)關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行投切，實(shí)現(xiàn)電容器無(wú)涌流、無(wú)沖擊投入(晶閘管開(kāi)關(guān)采用過(guò)零投切)，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功、改善功率因數(shù)、提高變壓器承載能力的目的。通常，接觸器投切一般用于穩(wěn)定負(fù)載、不頻繁投切的電容補(bǔ)償，而晶閘管投切更適用于快速變化負(fù)載，如冶煉、軋鋼、煤礦、化工等行業(yè)。

1.3 SVG(低壓靜止無(wú)功發(fā)生器)

SVG產(chǎn)品區(qū)別于傳統(tǒng)的LC電容補(bǔ)償，采用電力電子技術(shù)與無(wú)源器件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過(guò)電力電子器件的可控性實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償雙向、快速、無(wú)極的精準(zhǔn)補(bǔ)償。

補(bǔ)償原理:SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)外部電流互感器CT，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行計(jì)算分析負(fù)載電流中的無(wú)功分量，將負(fù)載電流的無(wú)功分量與設(shè)置值做比較，控制PWM信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)給內(nèi)部IGBT，使逆變器輸出矯正功率因數(shù)的無(wú)功補(bǔ)償電流，對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功功率實(shí)施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個(gè)范圍進(jìn)行雙向連續(xù)無(wú)功快速無(wú)極調(diào)節(jié)，達(dá)到快速補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的需求，同時(shí)可智能調(diào)節(jié)三相輸出電流，兼具三相不平衡治理功能。示意圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 SVG(有源補(bǔ)償)

LC安全補(bǔ)償(無(wú)源補(bǔ)償)和SVG(有源補(bǔ)償)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比詳見(jiàn)表1。

主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析 表1

綜上所述，針對(duì)低壓系統(tǒng)中用到的無(wú)功補(bǔ)償方法，純電容補(bǔ)償已經(jīng)不再使用，LC補(bǔ)償系統(tǒng)雖然是目前的主流設(shè)計(jì)方案，但是相對(duì)于先進(jìn)的SVG補(bǔ)償方案在功能方面和補(bǔ)償效果方面都相差甚遠(yuǎn)，而先進(jìn)的SVG補(bǔ)償方案除了補(bǔ)償無(wú)功功率以外還可以解決三相補(bǔ)償，同時(shí)在低次(3、5、7、11、13)諧波濾除上也有很好的效果且無(wú)發(fā)生諧振的風(fēng)險(xiǎn)，因此目前低壓配電系統(tǒng)最佳的電能質(zhì)量解決方案是選用SVG產(chǎn)品。

2 諧波抑制產(chǎn)品

隨著電力電子技術(shù)及節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的非線性負(fù)載(如LED、照明設(shè)備、UPS不間斷電源以及辦公設(shè)備和動(dòng)力變頻等)運(yùn)行在配電系統(tǒng)當(dāng)中，造成配電系統(tǒng)的諧波含量增加，諧波的增加除了造成配電能源的浪費(fèi)以外還會(huì)造成用電設(shè)備的隨機(jī)性故障，甚至引發(fā)用電安全事故。因此目前的低壓配電系統(tǒng)方案中諧波治理也是必須要考慮的。

諧波治理方案中對(duì)于用戶系統(tǒng)來(lái)講，常用的方案就是在配電系統(tǒng)低壓側(cè)加裝集中諧波治理裝置。諧波抑制裝置根據(jù)濾波原理可分為無(wú)源濾波器和有源濾波器兩類(lèi)。

2.1 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器由L、C等元件串聯(lián)起來(lái)，在諧波頻率構(gòu)成串聯(lián)諧振回路，利用串聯(lián)諧振阻抗最低的特性，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用于負(fù)載穩(wěn)定、諧波階次單一且功率因數(shù)較低的工程。由于目前供電系統(tǒng)中諧波階次比較復(fù)雜且功率因數(shù)較高，所以該濾波方案適用性很小。

2.2 APF(有源濾波器)

有源濾波器主要是由電力電子元件構(gòu)成的電路，使之產(chǎn)生一個(gè)和系統(tǒng)諧波同頻率、同幅值但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)諧波電流抵消。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可克服無(wú)源濾波只能濾除固定次數(shù)諧波的缺點(diǎn)，可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；且濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。從電路工作原理上看，APF是通過(guò)外部電流互感器CT，實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流，通過(guò)控制器計(jì)算分析，將采集到負(fù)載電流的諧波成分通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網(wǎng)中補(bǔ)償諧波電流，實(shí)現(xiàn)濾除諧波功能。示意圖詳見(jiàn)圖3。

有源濾波器選擇應(yīng)用時(shí)，補(bǔ)償電流的確定是其選擇關(guān)鍵。選型時(shí)首先應(yīng)明確諧波源的類(lèi)型，如劇場(chǎng)的諧波源主要是燈光控制需要的可控硅、大型公建中的諧波源主要為變頻設(shè)備等，不同諧波源對(duì)應(yīng)諧波畸變率不一樣。工程設(shè)計(jì)中一般根據(jù)同類(lèi)型工程測(cè)試數(shù)據(jù)或分析報(bào)告確定諧波畸變率。例如:硅整流設(shè)備總諧波畸變一般在45%～55%之間，空調(diào)變頻設(shè)備總諧波畸變一般在30%～40%之間。因此，根據(jù)設(shè)備負(fù)荷率及需要系數(shù)，結(jié)合總諧波畸變率，可較為準(zhǔn)確的算出諧波電流。從而選擇對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流。

圖3 APF(有源濾波器)

2.2.1有源濾波器選型工程實(shí)例

某劇場(chǎng)舞臺(tái)燈光設(shè)備容量為800kW，采用可控硅進(jìn)行調(diào)光。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，劇場(chǎng)在正常演出時(shí)舞臺(tái)燈光設(shè)備負(fù)荷率約為50%，此時(shí)諧波電流幾乎達(dá)最大值，諧波畸變率為45%左右。取舞臺(tái)燈光設(shè)備同時(shí)系數(shù)為0.7。

因此，線路中基波電流IL＝800×50%×0.7/0.4/1.732＝404A，諧波電流IH＝(800×50%×0.7/0.4/1.732)×45%＝181.8A?？芍?，選擇一臺(tái)補(bǔ)償電流為200A的有源濾波器進(jìn)行諧波治理，其零線諧波電流治理能力為600A。

SVG與APF工作原理及主電路圖比較，兩者基本一致，只是APF采用1 200V高頻IGBT，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到20kHz，濾波范圍在2～50次諧波，而SVG開(kāi)關(guān)頻率一般為10kHz，濾波范圍在2～25次諧波。不難發(fā)現(xiàn)，SVG主要用于補(bǔ)償無(wú)功電流及低次諧波治理，而APF主要目的是用來(lái)濾除系統(tǒng)諧波，兼顧無(wú)功補(bǔ)償。

2.2.2方案選型

根據(jù)以上設(shè)備原理特點(diǎn)及成本，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)所，以上述設(shè)備為基礎(chǔ)，不斷出現(xiàn)各種類(lèi)型組合方式的產(chǎn)品或方案，下文對(duì)具有代表性的組合進(jìn)行介紹。

(1)SVC＋SVG

SVC主要特點(diǎn)為分組固定投切，相對(duì)成本較低。SVG主要優(yōu)勢(shì)為快速、精確補(bǔ)償，可以從0.1kvar開(kāi)始進(jìn)行無(wú)極補(bǔ)償，雙向調(diào)節(jié)，功率因數(shù)可達(dá)到0.98以上，而且能用于低次諧波抑制。因此，融合兩者特點(diǎn)及各自優(yōu)勢(shì)，采用SVC＋SVG模式，選型時(shí)，SVG與SVC的無(wú)功補(bǔ)償容量之比需根據(jù)實(shí)際需求選擇適合本項(xiàng)目的方案，一般可按SVG容量占總比補(bǔ)償容量的15%～50%選擇。工作示意簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖4。

(2)SVC＋APF

對(duì)于諧波含量高的設(shè)備，除了正常電容補(bǔ)償無(wú)功功率，諧波的抑制必不可少，尤其是高次諧波。因此LC無(wú)功補(bǔ)償裝置與有源濾波器的組合方案，在電能質(zhì)量要求更高的場(chǎng)所是必要的選擇。

圖4 SVC＋SVG工作示意簡(jiǎn)

各類(lèi)產(chǎn)品選型要點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表2。

各類(lèi)產(chǎn)品選型要點(diǎn)對(duì)比表2

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上主要產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)分析，筆者認(rèn)為，在一般民用建筑設(shè)計(jì)中，采用SVC＋SVG組合的方式較為合理，通過(guò)分級(jí)與無(wú)極的有機(jī)結(jié)合，有效、快速地提高了功率因數(shù)，既對(duì)大多數(shù)的諧波進(jìn)行了有效治理，又控制了成本。另外針對(duì)諧波治理要求更高的場(chǎng)所(如金融、數(shù)據(jù)機(jī)房、醫(yī)療行業(yè)等)，可參考同類(lèi)型項(xiàng)目諧波分析報(bào)告，通過(guò)計(jì)算，增設(shè)合理參數(shù)的有源濾波器，達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。

由于SVG、APF等產(chǎn)品核心元器件為電力電子器件，因此，方案確定后，產(chǎn)品核心元器件的電磁兼容性、散熱結(jié)構(gòu)、使用壽命等直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的因數(shù)也不容忽視。