來源：電氣分會

1.引言

近年來，智能建築技術有了新的發展，人們把智能建築技術擴展到一個區域的幾座智能建築進行綜合管理，再分層次地聯接起來進行統一管理，這樣的區域稱爲智能小區。住宅小區智能化是目前國內、外住宅建設領域和信息產業領域非常熱門而又前沿的話題，也是能否實現住宅產業信息化的關鍵問題之一。

智能小區利用現代4C（即計算機、通訊網絡、自控、IC卡）技術，通過有效的傳輸網絡，將多元化信息服務與管理、物業管理與安防、住宅智能化系統集成，爲住宅小區的服務與管理提供高技術的智能化手段，在實現快捷高效的超值服務與管理，提供安全舒適的家居環境的同時也對配電系統的電能質量提出更高的要求①。

2.智能小區配電系統電能質量問題

2.1.無功功率問題

在智能小區的配電系統中使用了大量的感性負載，感性負載（如日光燈、水泵等）在運行過程中需要消耗大量的無功功率，造成配電系統產生如下問題：

(1)降低發電機有功功率的輸出。

(2)降低輸、變電設備的供電能力。

(3)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

(4)造成低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。

2.2．諧波問題

造成系統正弦波形畸變、產生諧波的設備和負荷稱爲諧波源。一切非線性的設備和負荷都是諧波源。現代智能建築中諧波主要來自於兩方面,一是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作爲諧波源產生的諧波,由網側傳輸至配電系統；二是大量非線性負荷形成的諧波源(如電動機、變壓器、電子設備、自動控制裝置、開關電源、電子式熒光整流器、家用電器等)導致配電系統的電壓、電流發生畸變,產生諧波。

家用電器單個容量不大，但數量很大且散佈於各處，其所產生的諧波造成的污染不容忽視，一般家用電器所產生的高次諧波電流含量如下表所示。隨着家用電器的發展，其產生的諧波污染已日益成爲不可忽視的問題。②

表一、常用家用電器所產生的諧波電流含量（%）

3

5

7

總諧波率

日光燈

14.1

2.9

1.8

14.4

洗衣機

10.8

5.3

-

12.1

電視機

87.9

68.3

45.2

122.61

電冰箱

21.2

10.6

6.0

-

吸塵器

9.1

1.1

0.7

-

當電力系統向非線性設備及負荷供電時，這些設備或負荷在傳遞、變換、吸收系統發電機所供給的基波能量的同時，又把部分基波能量轉換爲諧波能量，向系統倒送入大量的高次諧波，使電力系統的正弦波形畸變，電能質量降低，損壞系統設備。威脅電力系統的安全運行，增加電力系統的功率損耗等，給系統帶來危害。

諧波對公用電網和其他系統的危害大致歸納爲以下幾個方面：

(1)諧波使公用電網中的元件產生附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備

的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

(2)諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波會使電容器、

電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

(3)諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這

使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

(4)諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀表不準確。

(5)諧波通過電磁感應和傳導耦合等方式對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產

生噪聲，降低通信質量;重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。

3.諧波和無功的抑制方法

3.1諧波抑制

諧波電流已經對電力系統和供電系統產生了嚴重危害，必須採取有效的治理

措施。就目前的情況而言，解決電力電子裝置諧波問題的主要方法可以分爲以下

兩大類：

一種是主動型諧波抑制方案:即對電力電子裝置本身進行改進，使其不產生諧波，或根據需要對其功率因數進行控制。主動型諧波抑制方案常用的方法包括增加整流器的相數、使用脈寬調製法，採用多電平變流技術和加裝功率因數預調整器等，這種方法能從根源上解決諧波問題，濾波效果好。

主動型諧波抑制方案僅適用於電力電子設備類諧波源。其主要問題還在於成本高、效率低，並可能影響設備的可靠性。同時，電力電子系統中高功率因數整流器的高頻率PWM載波信號產生高次諧波，還會導致高電平的傳導和輻射干擾。

因此在設計主動型諧波抑制方案時，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統中濾除，防止它們作爲傳導干擾進入電網，還要利用屏蔽防止它們作爲輻射干擾進入自由空間，對空間產生電磁污染。

另一種是被動型諧波抑制方案:即諧波負載本身不加改變，而是在電力系統或諧波負載的交流側加裝無源濾波器、有源電力濾波器等裝置，通過外加設備對電網實施諧波補償，但是無源濾波器濾除效果差，並且只能針對單獨某一次進行濾除，所以行業內大多選用有源電力濾波器進行諧波補償。

3.2無功補償技術

無功補償裝置採用電容器串聯一定電抗率的電抗器進行安全補償，既能補償無功功率，同時能抑制諧波被放大，是目前無功補償的主要技術。

4.動態濾波補償裝置的工作原理

動態濾波補償裝置基於最先進的柔性輸配電技術開發的創新一代產品，將有源濾波與無源濾波補償技術有機結合，突破傳統應用，在有效降低成本的同時，實現最佳的濾波補償效果。裝置的工作原理分爲兩個部分，即無功補償裝置的工作原理和有源濾波器的工作原理，具體如下所述：

4.1無功補償裝置補償原理

無功補償裝置採用電容器串聯電抗器的方式，使其在一定頻率下形成低阻抗迴路，通過自動功率因數控制器控制電容器單元投切，從而達到無功補償和抑制諧波被放大的功能，根據諧波階次不同，可分爲抑制三次諧波（電抗率爲12%~14%）和抑制五次諧波（6%~7%）兩種形式；根據投切單元不同可分爲接觸器投切（靜態補償）和晶閘管投切（動態補償）。由於智能小區中使用的負載多爲單相設備，而單相設備會產生三次諧波，因此在智能小區中通常抑制三次諧波的電抗器來進行無功補償。

4.2有源濾波器濾波原理

有源濾波器，採用現代電力電子技術和基於DSP器件的數字信號處理技術製成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，並將模擬電流信號轉換爲數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，並以脈寬調製（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈衝，驅動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。是目前諧波治理行業主要設備。其主要技術優勢如下：

1.雙向調節功率因數

2.強大的濾波功能，可以濾除系統中2~50階次諧波

3.可濾除中性線上諧波

4.良好的動態響應時間，其響應時間爲300微秒

5.動態分相補償諧波，可以改善系統的三相不平衡現場

動態濾波補償裝置將安全補償和有源濾波裝置進行完美結合,通過控制系統協調二者之間的工作邏輯，實現在無功補償和有源濾波器的雙重功能，與原有的補償裝置和有源濾波器同時安裝相比其優勢如下：

1. 控制方式靈活

將有源濾波與無源濾波補償技術互補，用一個控制器來靈活設置無功補償的動態範圍及濾除諧波的容量；自動跟蹤負荷變化，分相無極輸出容性或感性無功電流

2. 響應速度快，補償精度高

利用有源單元可以產生雙向無功電流的特性，實現遠遠超出晶閘管投切速度的極速動態無功補償；並且可實現分相無極調節。

3. 較高的性價比

無源濾波裝置能濾除一定的諧波及補償無功，有源裝置不僅具有動態諧波濾除功能，還具有快速分相無功補償功能，在保證濾波效果的同時，有效降低有源濾波單元的容量

4. 工業化結構設計

將有源濾波和無源濾波集成在一個櫃內，結構緊湊、佔地面積小、裝置效率高且自身功耗低

5. 智能監控

大屏幕HMI人機界面、工作狀態一目瞭然，故障自動診斷；具備遠程通訊接口，可實時遠程監控

5.動態濾波補償裝置應用案例

某智能建築（採用三A控制既設備自動化系統、辦公自動化系統、通信自動化系統）中使用大量自動化設備，這些設備在運行時需要高質量的電源，採用動態濾波補償裝置進行濾波補償。運行效果如下：

圖1.裝置未投入系統電壓電流波形圖

圖2裝置未投入系統電流頻譜圖

圖3.裝置投入後系統電壓電流波形圖

圖4.裝置投入後系統電流頻譜圖

表1.LSVG投入前後系統諧波數據

負荷電流

LSVG投入前

LSVG 投入後

基波電流有效值（kA）

1.560

2.024

1.778

1.345

1.734

1.48

電流總畸變率（%）

17.1

14.5

16.1

5.5

5

4.7

諧波電流總含量(A)

267

293

286

74

87

70

主導

諧波

3次（A）

200

158

221

41

40

35

5次（A）

163

230

158

26

52

30

7次（A）

4

51

59

10

6

9

9次（A）

36

49

14

10

16

6

11次（A）

49

43

69

31

27

36

13次（A）

43

49

27

28

32

17

15次（A）

8

13

11

5

6

2

表2.LSVG投入前後系統功率數據

負荷

LSVG 投入前

LSVG投入後

功率數據

有功功率（MW）

0.3

0.34

0.27

0.29

0.34

0.28

無功功率（MVar）

0.2

0.3

0.3

0.1

0.11

0.1

視在功率（MVA）

0.36

0.46

0.4

0.31

0.36

0.30

功率因數

0.83

0.76

0.68

0.95

0.95

0.94

總有功功率（MW）

0.91

0.90

總無功功率（MVar）

0.81

0.31

總視在功率（MVA）

1.22

0.95

COSф

0.75

0.95

6.結束語

智能小區的配電系統中由於負載及電網中的諧波影響，造成其電能質量惡劣，而在智能小區中普遍使用的自動控制系統對電能質量要求卻較高，因此採用合理的諧波治理設備是保證智能設備正常運行的良好保證，動態濾波補償裝置（LSVG）將有源濾波和無源濾波完美的結合在一起，在提供無功補償、諧波治理的同時降低設備投入成本，而且其平滑無極調節功率因數特性，更是符合小區用電的峯谷特點，是智能小區改善電能質量的最佳設備。

來源：電氣分會