王 建 遲恩先 葛方甫

（山東華天電氣有限公司，濟南 250101）

山東省會文化藝術(shù)中心作為“十藝節(jié)”的主場館，包括大劇院、圖書館、美術(shù)館、群眾藝術(shù)館以及劇團、書城、影城等文化事業(yè)和文化產(chǎn)業(yè)配套項目。其中大劇院大約7.5 萬m2，包含1500 座音樂廳、1800 座的歌劇廳、500 座的多功能廳及排練廳和其它輔助設施，是一座多種表演藝術(shù)形式演出的綜合性文化藝術(shù)中心。建筑智能化、自動化程度高，特別在演出時人員密度高場所，對于用電的安全性要求高，大劇院建筑內(nèi)主要用電設備，以單相設備為主，包括音響、燈光、空調(diào)、照明燈、UPS 電源等， 非線性負荷集中，工作時產(chǎn)生大量的諧波電流，相控整流設備負載功率因數(shù)低，在整個配電系統(tǒng)及變壓器產(chǎn)生大量的諧波及無功損耗，導致配電系統(tǒng)過熱，造成火災事故等安全隱患，降低了系統(tǒng)的安全運行。

1 大劇院配電負載特性及危害

大劇院內(nèi)的負載不同于普通的寫字樓，主要以舞臺設備和舞臺燈光、各種音響為主，這類設備為可控硅調(diào)光設備，在單相燈光開通時，所對應相電壓被拉低，其他兩相電壓瞬間提高。燈光明暗調(diào)節(jié)是通過控制可控硅導通角的大小來實現(xiàn)的，導通角越小，諧波畸變越厲害，由于要不斷的調(diào)節(jié)燈光的明暗和投入燈光的數(shù)量，所以系統(tǒng)中諧波含量也是不斷變化的，諧波含量基本在30%～100%變化，如圖1所示?？煽毓枵{(diào)光設備工作在不同狀態(tài)時，真?zhèn)€系統(tǒng)的諧波含量和系統(tǒng)功率因數(shù)不同。負載沖擊造成電壓波動。

以可控硅為主的單相相控整流燈光設備，在整個配電系統(tǒng)中造成系統(tǒng)諧波含量高，功率因數(shù)低，三相負載有功不平衡。對用電設備及整個配電系統(tǒng)影響較大。

圖1 可控硅調(diào)光設備工作時電壓電流情況

1）藝術(shù)中心內(nèi)部有很多重要的設備，如舞臺機械電子調(diào)控設備、電視轉(zhuǎn)播與通訊設備、調(diào)光設備等，對供電的可靠性，安全性，抗干擾性要求高，需要良好的供電環(huán)境。大量的諧波造成其電能質(zhì)量干擾，導致通訊異常失靈，聲音與圖形失真等，如舞臺燈光的可控硅調(diào)光系統(tǒng)，會因為諧波原因?qū)е缕溟_關時電壓應力高而損壞。

2）配電系統(tǒng)中由于單相負載較多，導致零序諧波電流大，造成三相四線制系統(tǒng)的中線過載，變壓器一般采用星三角接法，在變壓器三角形接法側(cè)變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，造成變壓器繞組過流，同時變壓器中線過載，嚴重時甚至引發(fā)事故。

3）增加電力設施負荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低用電設備的有效容量和效率，造成設備浪費、線路浪費和電能損失；使用電設備加速絕緣老化。引起繼電器等控制器件誤動作，使保護裝置工作紊亂。諧波電流會對無功補償電容器造成諧振和諧波電流放大，導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行。

2 大劇院配電電能質(zhì)量治理的措施

針對大劇院配電系統(tǒng)的特點，諧波源主要為各種燈光設備，其單相負載多，三相負載不平衡， 功率因數(shù)較低等問題，需要對其進行綜合治理，采用一套補償設備解決上述問題，消除系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。采用山東華天電氣 有源電力濾波器，它是新一代電能質(zhì)量綜合治理設備，集合有源電力濾波器，無功補償和三相不平衡校正等功能于一體。

華天有源電力濾波器是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP 器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電能質(zhì)量綜合治理專用設備，它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP），同時根據(jù)系統(tǒng)的三相電壓信號對電壓、電流信號進行處理，將諧波與基波分離，無功功率及三相有功分別計算，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT 或IPM 功率模塊，生成與諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波，同時產(chǎn)生所需的無功功率及需要平衡的有功功率。從而實現(xiàn)對電力諧波、無功和三相不平衡校正的動態(tài)、快速、徹底治理，原理圖如圖2所示。

圖2 APF 工作原理

3 應用實例

以省會文化中心大劇院的歌劇廳電能綜合治理為例，由于單臺設備容量小，且負載分散，綜合考慮性價比，在配電使進行集中治理，解決電能質(zhì)量問題，為整個配電系統(tǒng)營造一個綠色、安全的供用電環(huán)境。

1）配電系統(tǒng)主要參數(shù)

主要負荷：可控硅調(diào)光燈。

負載類型：單相整流性負載

諧波特征次：3 次、5 次、7 次為主，同時含有9 次、11 次、13 次、15 次、17 次等高次諧波。

補償容量：在配電室安裝100A 有源電力濾波器。

2）歌劇廳配電電能質(zhì)量綜合治理前后數(shù)據(jù)比較（如圖3）

3）數(shù)據(jù)分析評價

（1）補償前后主要數(shù)據(jù)比較如表1所示，以B相為例。

表1

圖3 補償設備工作前后情況

（2）從電能質(zhì)量治理前后波形和數(shù)據(jù)可以看出，整個配電系統(tǒng)電能質(zhì)量得到明顯的改善，有效降低了系統(tǒng)由于諧波導致的電壓上升，延長了用電設備的使用壽命，避免因電壓過高燒毀電器設備的問題，電力諧波得到了很好的抑制，使配電系統(tǒng)的電流總諧波畸變率THD由原來的21.2%降為4.2%，滿足國標GB/T14549-1993 的要求。總諧波電流減小了91A；同時對系統(tǒng)中存在的大量基波無功和諧波無功進行了補償和治理，配電系統(tǒng)的效率得到提高，功率因數(shù)PF由0.97 提高到0.99。視在功率和無功功率顯著降低。

提高了設備的利用率，降低了線路及變壓器的發(fā)熱損耗。

4 結(jié)論

通過對省會文化藝術(shù)中心大劇院配電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合治理后，提高了配電內(nèi)各用電設備的運行質(zhì)量與可靠性，降低配電變壓器鐵損和雜散損耗，提高了配電系統(tǒng)的效率；同時解決由于大量的諧波電流導致視在功率增加，功率因數(shù)降低，配電變壓器負荷加重、損耗增加并導致局部過熱，配電線路額外發(fā)熱、線損增加等一系列電能質(zhì)量問題。其次減少了無功功率降低線路功率損耗，增加電網(wǎng)的傳輸能力、提高電源設備利用率，減小電源設備容量，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。平衡三相負載，使相間功率一致，降低由于三相不平衡引起相間偏壓、造成環(huán)流損耗等問題。避免使設備運行更可靠、更安全、更節(jié)能。