韓　莉

(山東省建筑設計研究院, 山東 濟南　250001)

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現(xiàn)代化智能建筑中用電負荷的電能質量治理設備選擇

韓莉

(山東省建筑設計研究院, 山東 濟南250001)

智能建筑根據(jù)功能的需求會使用不同類型的負荷,其中包含了許多典型的電力電子非線性設備,這些設備運行時給配電系統(tǒng)帶來電能質量問題。結合某影劇院電能質量治理方式,對比了傳統(tǒng)補償濾波方案、有源濾波補償方案、SVG混合動態(tài)補償方案,歸納了針對不斷更新的非線性負荷所在的配電環(huán)境采用新型治理裝置的優(yōu)勢。提出在建筑電氣設計時需了解智能建筑項目負載類型,以合理選擇電能質量治理設備的類型和容量。

智能建筑; 有源電力濾波器; 電能質量; 靜止無功發(fā)生器

0　引　言

不斷發(fā)展的電力電子技術為實現(xiàn)不同智能建筑的功能提供技術支撐,也為新型建筑的發(fā)展提供保障。變頻、整流、開關電源等非線性電力電子設備大量應用于智能建筑中,這些非線性負荷運行時產(chǎn)生的主要電能質量問題是諧波和無功,諧波會增加變壓器的損耗,引起斷路器誤動作、系統(tǒng)諧振、導線集膚效應,無功使功率因數(shù)低,配電網(wǎng)負荷上升。

1　諧波危害

因智能建筑的功能不同,使用的配電設備根據(jù)場合的需要會隨時做出調節(jié),導致配電系統(tǒng)的負載率在不停變化,諧波含量高低不等,功率因數(shù)大小不一[1-4]。

以某現(xiàn)代化影劇院為例,舞臺使用了二極管調光燈,場景轉換使用了變頻驅動的機械臂,劇場內采用了中央空調以及音響系統(tǒng),背景熒幕是大型LED環(huán)形屏幕。這些視聽負荷均為電力電子的非線性負荷,使用時根據(jù)場景的不同會隨時改變,引起配電系統(tǒng)諧波大小波動、功率因數(shù)浮動等電能質量問題。

電力系統(tǒng)電壓、電流、功率因數(shù)諧波的變化趨勢如圖1～圖3所示。

圖1　電壓諧波的變化趨勢圖

由圖1可見,三相電壓諧波畸變率在負荷運行時變化范圍為3%～7%,系統(tǒng)在測試的待機時間內畸變率較低(3%左右),負荷動作時畸變率較高(接近7%),超出國家標準允許值(5%)的規(guī)定。由圖2可見,在測試的時間內三相電流畸變率不斷變化,數(shù)值高達55%～75%。由圖3可見,測試時間內功率因數(shù)較低,在0.65～0.85區(qū)間變動。

圖2　電流諧波的變化趨勢圖

圖3　功率因數(shù)變化趨勢圖

諧波的存在會對配電系統(tǒng)構成非常嚴重的影響:

(1) 變壓器干擾。變壓器的銅損和鐵損會在諧波電流的作用下,因焦耳效應和渦流而增加。繞組的損耗與電流畸變率的平方成正比,鐵損與電壓畸變率成線性關系。諧波的畸變率越大,損耗越大[5]。

(2) 電容器損耗。系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電壓作用于電容器上時,觸發(fā)的諧波電流與諧波頻率成正比,在原有阻抗上的損耗增加。同時,系統(tǒng)中某些頻率的諧波會與電容器發(fā)生諧振,擊穿或燒毀電容器[6-8]。

(3) 導體損耗。導體的總電流有效值變大,因集膚效應的存在,導體溫度變高,系統(tǒng)熱損增加。

(4) 異步電機損耗。系統(tǒng)的諧波電壓在轉子中產(chǎn)生的諧波電流會增加發(fā)熱,同時諧波產(chǎn)生的磁場與基波產(chǎn)生的磁場相互作用,產(chǎn)生的脈動轉矩造成嚴重的噪聲。

2　電能質量的治理方式

國家標準GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》[9]規(guī)定,電網(wǎng)標稱電壓0.38 kV下允許的電壓總諧波畸變率為5%,奇次、偶次諧波電壓含有率分別為4%、2%;治理后注入電網(wǎng)公共連接點的諧波電流分量(方均根值)不應超過表1中規(guī)定的允許值(在保留現(xiàn)有電容柜的情況下)。

表1　諧波電流允許值　A

(1) 傳統(tǒng)治理方式。主要使用電容器和電抗器以一定的阻抗比串聯(lián)后,再并聯(lián)到系統(tǒng)中,用以濾波及無功補償。無源濾波器包括單調諧濾波器、雙帶通濾波器、高通濾波器、反諧振濾波器。

① 單調諧濾波器在調諧頻率下諧波的阻抗為電阻,用于低次諧波的抑制,當諧波頻率低于調諧頻率時,濾波器阻抗呈容性;而高于調諧頻率時,濾波裝置呈感性,通常選擇高品質因數(shù),減少損耗。

② 雙帶通濾波器最低阻抗出現(xiàn)在兩個調諧頻率處,基波損耗小,但是結構復雜,調諧困難,應用較少。

③ 高通濾波器在高頻率時呈低阻抗,消除高次諧波;低頻時為高阻抗,低次諧波不能通過,品質因數(shù)為0.5～5.0。

(2) 新型治理方案。使用基于電力電子器件IGBT技術的有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)和靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)組合的諧波治理和無功補償方案。

有源濾波器能動態(tài)抑制諧波和補償無功,系統(tǒng)模型為一個多輸入/多輸出耦合的非線性系統(tǒng),主體是有源逆變器,按其接入電網(wǎng)的方式可分為單獨串聯(lián)型、單獨并聯(lián)型、混合型和多變流器混合型。混合型APF可以看作是統(tǒng)一的電能質量調節(jié)器,具有容量低等優(yōu)點,應用在中等和大功率的場合。APF受高壓、大電流半導體器件的限制,采用串聯(lián)APF和并聯(lián)無源濾波器的混合濾波器方案,能有效解決該問題。

3　配置應用及分析

影劇院負荷在待機和全功率運行時的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　影劇院負荷在待機和全功率運行時的數(shù)據(jù)

由圖4可知,系統(tǒng)在待機狀態(tài)時電流約為60 A,隨著負荷的逐步運行,電流逐漸增加,最高達380 A,中性線電流非常大,峰值運行時高達554.4 A。由于非線性負載的電力電子部分總功率為定值,因此系統(tǒng)在開啟到最大狀態(tài)的過程中,隨著基波部分的含量提高,總畸變率在下降,由待機狀態(tài)的75%降為55%。三相電流波形全程均為畸變的半波、斬波形狀,奇次諧波含量高,3、5、7、9次諧波所占比例大。系統(tǒng)三相總視在功率在運行時為30～120 kVA,其中A、B、C每相變化為10～40 kVA。

系統(tǒng)最大無功功率為

諧波電流大小為

Ih=380×55%=209 A

(1) 傳統(tǒng)治理方案。根據(jù)系統(tǒng)測試的結果,需要配置濾波和無功補償回路。無功補償按照60kvar(15kvar×4)設置,諧波按照3、5、7、高通支路設置。以上配置考慮配電安全,每個支路1個柜體,共需要5個柜體,單柜體標準尺寸為1 000mm×1 000mm×2 200mm(寬×深×高)。

(2) 新型治理方案。根據(jù)諧波大小,配置200A有源濾波器。無功補償如果采用純SVG,成本太高。為了達到0.95以上的功率因數(shù),可部分使用SVG模塊,其他仍沿用常規(guī)電容電抗方式。因此,補償支路為15kvar×2(電容電抗)+30kvar×1(SVG模塊),柜體數(shù)量為2,單柜標準尺寸為1 000mm×1 000mm×2 200mm(寬×深×高)。

由于負荷不是穩(wěn)定運行的不變量,而傳統(tǒng)方案的濾波支路為固定值,不能應負載變化及時處理所有諧波,導致濾波后波形仍然不能呈現(xiàn)正弦。無源濾波電流波形如圖5所示。

圖5　無源濾波電流波形

有源濾波器依據(jù)負荷電流大小經(jīng)DSP信號處理后,由IGBT快速觸發(fā)等大小、反方向的諧波電流進行補償,響應速度快,因此可以做到濾波徹底。有源濾波電流波形如圖6所示。

圖6　有源濾波電流波形

無功補償55 kvar時仿真結果如圖7所示。

圖7　無功補償55 kvar時的仿真結果

由圖7可知,傳統(tǒng)方案中電容電抗每組數(shù)值固定,為防止過補,只能投入3組電容裝置補償,系統(tǒng)將處于缺少10 kvar的欠補狀態(tài);SVG混合補償方案可以根據(jù)需補償當量的大小,在常規(guī)電容達不到目標值時柔性輸出10 kvar,功率因數(shù)可高達0.99。

無功補償40 kvar時仿真結果如圖8所示。由圖8可知,傳統(tǒng)補償方案需要切除一組,系統(tǒng)整體依然處于欠補狀態(tài),而系統(tǒng)在電容投入/切除時會受到一定的沖擊,導致電壓不穩(wěn);SVG混合補償方案可不切除常規(guī)電容,SVG模塊直接反向感性輸出,達到平衡容性電容的目的。

圖8　無功補償40 kvar時的仿真結果

綜上所述,兩種方案在應對現(xiàn)代化的智能負荷時表現(xiàn)差異很大。傳統(tǒng)補償方案與SVG混合補償方案的對比如表2所示。

表2傳統(tǒng)補償方案與SVG混合補償方案的對比

比較項目傳統(tǒng)補償方案SVG混合補償方案濾波方式及效果 無源方式,較差 有源方式,好補償方式及效果 電容電抗,較差 電容電抗+SVG,好目標功率因數(shù)實現(xiàn) 分級臺階式,不能連續(xù)可調,易造成過補或欠補的情況,補償后功率因數(shù)一般為0.8～0.9 精度達0.99,有效避免了過補和欠補的情況動態(tài)響應時間 完成一次補償最快需20ms 響應時間小于5ms,動態(tài)響應時間小于100μs補償能力 電容器提供無功功率,只能補償感性負荷,在系統(tǒng)呈容性或容性、感性反復變化的狀態(tài),則失去補償效果 SVG可動態(tài)雙向連續(xù)調節(jié)無功功率,即從額定感性工況到額定容性工況連續(xù)輸出無功,固定電容器組合可構成任意范圍的連續(xù)補償對配電網(wǎng)的沖擊影響 較大 小占地面積 大 小

4　結　語

本文結合某影劇院負載運行情況,對比分析了傳統(tǒng)濾波補償方案與SVG混合動態(tài)補償方案。結果表明,比較穩(wěn)定的配電系統(tǒng)中可以使用傳統(tǒng)濾波補償方案進行濾波及無功補償,相比較經(jīng)濟;在現(xiàn)代化智能建筑配電系統(tǒng)中非線性負荷多,變化快速的情況,需考慮采用基于先進電力電子技術的濾波及補償方案;在配電系統(tǒng)設計時應考慮采用電能質量治理的方式,以選擇合適的容量,避免有源濾波或SVG容量選擇過大,造成成本增加。

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[9]電能質量 公用電網(wǎng)諧波:GB/T 14549—1993[S].

Selection of Power Quality Control Equipment for Electricity Load in Intelligent Building

HAN Li

(Shandong Provincial Architectural Design Institute, Jinan 250001, China)

Modern intelligent building uses different types of loads according to the requirements of function,which contains many typical nonlinear power electronic devices,and these devices operations bring the power quality problems for distribution systems.Combining by a cinema as an example,this paper compared traditional compensation filtering scheme,new active power filtering scheme,and SVG mixed dynamic compensation scheme.Aiming at the updating power distribution environment of the nonlinear loads,the advantages of new control device were summarized.It is pointed out that the load types of intelligent building should be understood when the building project is designed,in order to reasonably choose the power quality control device type and capacity.

intelligent building; active power filter(APF); power quality; static var generator(SVG)

韓莉(1968—),女,高級工程師,從事建筑電氣設計工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)06-0034-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.06.009

2016-01-26