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摘要：本文介绍了智能模块式混合滤波补偿装置的原理及在商业建筑配电系统的应用，该文章是基于某广场配电系统的谐波含量大和功率因数低，对此工况系统分析，并提出商业建筑配电系统最佳的谐波抑制方法，最后采用智能模块式混合补偿滤波方案，投入设备后效果显著，具有很大的市场潜力和应用价值。
关键词：混合滤波补偿装置；电能质量；系统安全；稳定性；
中图分类号：R363文献标识码： A
1.引言
目前，现代商业建筑更加注重智能化、现代化的同时，却使得谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题变得尤为严重。尤其对于商建、医院等现代建筑，大量荧光灯、变频电梯、调光灯、变频空调、计算机、充电设备、UPS及电力电子设备等的接入，大大加重了谐波危害，同时其大量基于自动化控制，对电网兼容性提出更高的要求，迫切需要一种高效的综合性解决方案。
2.商建配电系统谐波剖析
随着现在智能建筑不断的日新月异，大量的使用现代化用电设备，绝大部分都属于非线性负荷,归纳起来如下：a）、照明系统中照明镇流器、调光设备（相位角控制器）；b）、计算机、复印机、打印机等办公自动化设备等单相负载；c）、UPS不间断电源、冲蓄电池及由开关电源供电的各种现代电子设备；d）、电梯、空调、风机等动力设备中普遍应用的变频传动装置（VFD）；e）、其他具有一定非线性负载特性的电子控制设备，这些设备内部采用二极管、三极管及感性负载工作与高频工作状态而产生的尖峰引起谐波，控制回路搭建采用桥型滤波整理电路而产生的谐波，诸如变频设备内容IGBT自身的工作特性也会产生谐波，谐波从而导致电压、电流波形发生畸变，严重影响商业建筑供电系统安全。
根据以往在这个商建行业的实测数据和理论分析可知，一般这样的工况系统平均功率因数在0.78-0.85之间，功率因数处于偏低的状态，需要进行集中无功补偿，提高系统的功率因数；荧光照明类设备产生的谐波主要以3次谐波为主，电流畸变率为16.5%~46.8%；整流类负载，如变频器，目前大多数以6脉为主，产生5、7、11、13次谐波，5次电流较严重，畸变率为21.8%~28.5%；谐波电流通过叠加汇聚在系统0.4kV主母线，总谐波电流畸变率较低，一般商建配电中心0.4kV母线谐波电流畸变率为10.3% ~17.9%。
3.谐波对商建配电系统的危害
3.1.谐波对供电线路的影响
对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费，在商建配电系统，由于有单相负荷，且存在3次諧波，大量的谐波电流流过N线，造成电缆发热严重，不久破坏绝缘，严重时还造成故障。
3.2.谐波对动力变压器影响
谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负荷的变压器来说,会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。
3.3.谐波对补偿电容器的影响
由于电容器对谐波的阻抗很小,谐波电流叠加到基波电流上,会使电力电容器中流过的电流有很大的增加,使电力电容器的温升增高,引起电容器过负荷甚至爆炸。同时,谐波还可能与纯电容器发生并联谐振，电流成倍增加，谐波严重放大。
3.4.谐波对用电设备的影响
用电设备的控制系统，谐波引起控制系统零点触发延时，达不到预期的控制要求，造成整体可靠性较差，容易引起系统故障或使系统故障扩大。
3.5.谐波对通讯系统的影响
在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时,通过电磁耦合,会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作,使通话清晰度降低,甚至会引起通信线路的破坏。
4.工程概述
4.1 系统概述
上海某广场商业楼配电系统（物业、百货、超市）二期项目，共2台1600kV动力变压器，2台1000kW柴油发电机（应急备用电源），依据设计院提供的参数，负荷率为85%，初始PF值为0.85，负载主要有：电梯、照明、消防风机、水泵、空调、日常办公设备。
4.2 配电系统需求
经过与甲方、设计院沟通，目标PF值需达0.96以上，对于系统非线性负载产生的谐波进行消除，剩余的谐波电流畸变降低到5%以下，且不会对系统安全造成影响，确保设备安全可靠运行。
5.治理措施及应用情况
5.1 治理措施的确定
结合以往对商业建筑供电系统研究和实际治理情况分析，在商业建筑配电系统中，由于感性负载大量存在，使得功率因数较低，因此需提高PF值，提高PF值后可以不会遭受供电局罚款，同时抬升了变电、输电设备的供应能力，网络损耗降低，末端压降不会很低，从而改善了供电电能质量；由于非线性负载的存在，电力网络存在一定的谐波，消除谐波可以降低电气故障、延长设备的使用寿命，因此需要设计一种综合电能治理方案。
笔者认为，要解决商业建筑供电系统电能质量问题，重点是要解决谐波问题，针对该系统特殊而复杂的系统，解决谐波是首要问题，主要从两方面考虑，（1）、负载产生的谐波通过高效的APF有源滤波器进行有效的消除；（2）、对于容易谐波放大负载，采用更有效的抑制方法防止放大；通过两者结合，更能有效的解决谐波带来的各种隐患。
商业建筑配电系统容易对谐波放大的设备主要是补偿装置，补偿支路设计不当会造成一定程度的谐波放大，对于该情况一般有4种设计思路，第1种是纯补偿未串联电抗器，这种情况主要是针对未有谐波场合，凡是有谐波场合纯补偿容性无功跟谐波发生谐振，谐波被无限放大，商建行业该方式不可取；第2种方式，串联6%电抗器，这种方式是针对系统主要以5次谐波为主，用来抑制5次及以上谐波，但会对3次谐波放大；第3种方式，串联13%电抗器，这种方式是针对系统主要以3次谐波为主，这种方式从受益角度出发较好，原因是抑制从3次谐波开始，同时能够3次以上谐波，但13%电抗器体积和容量较大，电容器电压较高，整体造价偏高；第4种方式，串联13%和6%电抗器，这种方式融合了第2、3种方式，抑制3次及以上谐波，符合商业建筑负载的谐波特性，也不会因为空间和造价而困扰用户及设计者。
5.2治理方案的设计
掌握商业建筑变压器及负载的相关参数，及设计目标为PF达0.95以上，谐波电流畸变率降低到5%以下，并通过对该项目一期0.4kV系统测试可得，0.4kV母线谐波有主要有3次、5次、7次谐波，3次电流畸变率为6.8%，5次畸变率为15.3%，7次畸变率为8.2%。
为了更好的解决商业建筑配电的电能质量问题，既要消除谐波同时还要抬升功率因数，提出一种新型的技术，谐波与无功捆绑式治理方案，采用ZMAF智能模块式混合滤波补偿装置，它可以对系统的谐波电流进行有效快速滤除，对无功功率快速跟踪补偿；经过系统分析与仿真验算，对于变压器为1600kVA取治理额定容量为500kvar+100A，每台变压器下装设1套，每套2面柜，其中100kvar串联13%电抗率，400kvar串联6%电抗率，有源容量100A，治理后目标功率因数及谐波达目标要求值，并且维护方便、操作简单。
5.3 ZMAF的原理及产品优势
ZMAF智能混合滤波补偿装置包含无源补偿模块和有源滤波模块二部分，共同承担无功补偿与谐波治理的任务。引进国外技术，集监测电网各项参数、谐波滤除及保护、无功补偿以及保护示警等功能于一体的新型无功补偿、谐波滤除的装置，在交0.4kV、50Hz低压电力系统中的在线检测、无功补偿、谐波滤波、稳定系统电压等方面有广泛的应用，它主要是针对商业建筑供电0.4kV总母线谐波含量较大及功率因数偏低问题（矫正电压电流波形，减少电压与电流之间的相位夹角）而设计的最佳方案。
图1：智能混合滤波补偿装置拓扑结构
5.4 应用效果分析
为了检测混合滤波补偿装置投运后的效果，甲方邀请我方携带法国CA8834电能质量测试仪器，在动力变0.4kV出线侧进行了测试，测试结果显示治理取得良好的效果，具体效果见下图所示：
图2：设备投入前谐波电流柱状频谱图
图3：设备投入后谐波电流柱状频谱图
图4：设备投入前功率因数频谱图
图5：设备投入后功率因数频谱图
从设备投入前后数据频谱图可以看出，智能模块式混合滤波补偿装置投入后谐波电流畸变率达到目标值小于5%，5次谐波电流从投入前的13%降低到2.6%，其余次数也有明显的降低，功率因数从0.81提高到0.98，效果非常明显，电能质量大大改善，有效的解决了功率因数低谐波含量高，同时能够很好的避免因供电质量差导致系统电气故障现象，同时降低了末端电压，增加网络元件供电能力裕量。
6.结语
针对商业建筑供用电系统存在的严重谐波污染和功率因数偏低的问题，并找出了非线性负载的工作特性，据此采取了有效的治理措施，投入设备后，抬升了功率因数，提高了相关设备利用率，同时解决了设备异常出现故障等现象；可见ZMAF智能模块
式混合补偿滤波装置对于谐波含量大、功率因数低场合应用性比较强，效果显著，相对纯粹的有源或无源有巨大的优势和发展空间；可以预计ZMAF将会不断在商业建筑配电系统中占主导地位，也会逐渐加深用户对该产品的认识，相信该产品将会被更广泛的接纳与应用。
参考文献：
[1]王兆安 张明勋 电力电子设备设计和应用手册 机械工业出版社
[2] ﹛奥地利﹜George J. Wakileh著徐政译电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计
[3]孙树勤 林海雪 干扰性负荷的供电中国电力出版社
[4] 杨啸天著.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书.北京：中国电力科技出版社,2006.1
[5] 吴竞昌，供电系统谐波，北京：中国电力科技出版社，1998
作者简介：景鹏 （1986-）男工程师上海电力学院电气工程及其自动化毕业主要从事无功补偿和谐波治理研究及设计工作
关键词：混合滤波补偿装置；电能质量；系统安全；稳定性；
中图分类号：R363文献标识码： A
1.引言
目前，现代商业建筑更加注重智能化、现代化的同时，却使得谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题变得尤为严重。尤其对于商建、医院等现代建筑，大量荧光灯、变频电梯、调光灯、变频空调、计算机、充电设备、UPS及电力电子设备等的接入，大大加重了谐波危害，同时其大量基于自动化控制，对电网兼容性提出更高的要求，迫切需要一种高效的综合性解决方案。
2.商建配电系统谐波剖析
随着现在智能建筑不断的日新月异，大量的使用现代化用电设备，绝大部分都属于非线性负荷,归纳起来如下：a）、照明系统中照明镇流器、调光设备（相位角控制器）；b）、计算机、复印机、打印机等办公自动化设备等单相负载；c）、UPS不间断电源、冲蓄电池及由开关电源供电的各种现代电子设备；d）、电梯、空调、风机等动力设备中普遍应用的变频传动装置（VFD）；e）、其他具有一定非线性负载特性的电子控制设备，这些设备内部采用二极管、三极管及感性负载工作与高频工作状态而产生的尖峰引起谐波，控制回路搭建采用桥型滤波整理电路而产生的谐波，诸如变频设备内容IGBT自身的工作特性也会产生谐波，谐波从而导致电压、电流波形发生畸变，严重影响商业建筑供电系统安全。
根据以往在这个商建行业的实测数据和理论分析可知，一般这样的工况系统平均功率因数在0.78-0.85之间，功率因数处于偏低的状态，需要进行集中无功补偿，提高系统的功率因数；荧光照明类设备产生的谐波主要以3次谐波为主，电流畸变率为16.5%~46.8%；整流类负载，如变频器，目前大多数以6脉为主，产生5、7、11、13次谐波，5次电流较严重，畸变率为21.8%~28.5%；谐波电流通过叠加汇聚在系统0.4kV主母线，总谐波电流畸变率较低，一般商建配电中心0.4kV母线谐波电流畸变率为10.3% ~17.9%。
3.谐波对商建配电系统的危害
3.1.谐波对供电线路的影响
对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费，在商建配电系统，由于有单相负荷，且存在3次諧波，大量的谐波电流流过N线，造成电缆发热严重，不久破坏绝缘，严重时还造成故障。
3.2.谐波对动力变压器影响
谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负荷的变压器来说,会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。
3.3.谐波对补偿电容器的影响
由于电容器对谐波的阻抗很小,谐波电流叠加到基波电流上,会使电力电容器中流过的电流有很大的增加,使电力电容器的温升增高,引起电容器过负荷甚至爆炸。同时,谐波还可能与纯电容器发生并联谐振，电流成倍增加，谐波严重放大。
3.4.谐波对用电设备的影响
用电设备的控制系统，谐波引起控制系统零点触发延时，达不到预期的控制要求，造成整体可靠性较差，容易引起系统故障或使系统故障扩大。
3.5.谐波对通讯系统的影响
在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时,通过电磁耦合,会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作,使通话清晰度降低,甚至会引起通信线路的破坏。
4.工程概述
4.1 系统概述
上海某广场商业楼配电系统（物业、百货、超市）二期项目，共2台1600kV动力变压器，2台1000kW柴油发电机（应急备用电源），依据设计院提供的参数，负荷率为85%，初始PF值为0.85，负载主要有：电梯、照明、消防风机、水泵、空调、日常办公设备。
4.2 配电系统需求
经过与甲方、设计院沟通，目标PF值需达0.96以上，对于系统非线性负载产生的谐波进行消除，剩余的谐波电流畸变降低到5%以下，且不会对系统安全造成影响，确保设备安全可靠运行。
5.治理措施及应用情况
5.1 治理措施的确定
结合以往对商业建筑供电系统研究和实际治理情况分析，在商业建筑配电系统中，由于感性负载大量存在，使得功率因数较低，因此需提高PF值，提高PF值后可以不会遭受供电局罚款，同时抬升了变电、输电设备的供应能力，网络损耗降低，末端压降不会很低，从而改善了供电电能质量；由于非线性负载的存在，电力网络存在一定的谐波，消除谐波可以降低电气故障、延长设备的使用寿命，因此需要设计一种综合电能治理方案。
笔者认为，要解决商业建筑供电系统电能质量问题，重点是要解决谐波问题，针对该系统特殊而复杂的系统，解决谐波是首要问题，主要从两方面考虑，（1）、负载产生的谐波通过高效的APF有源滤波器进行有效的消除；（2）、对于容易谐波放大负载，采用更有效的抑制方法防止放大；通过两者结合，更能有效的解决谐波带来的各种隐患。
商业建筑配电系统容易对谐波放大的设备主要是补偿装置，补偿支路设计不当会造成一定程度的谐波放大，对于该情况一般有4种设计思路，第1种是纯补偿未串联电抗器，这种情况主要是针对未有谐波场合，凡是有谐波场合纯补偿容性无功跟谐波发生谐振，谐波被无限放大，商建行业该方式不可取；第2种方式，串联6%电抗器，这种方式是针对系统主要以5次谐波为主，用来抑制5次及以上谐波，但会对3次谐波放大；第3种方式，串联13%电抗器，这种方式是针对系统主要以3次谐波为主，这种方式从受益角度出发较好，原因是抑制从3次谐波开始，同时能够3次以上谐波，但13%电抗器体积和容量较大，电容器电压较高，整体造价偏高；第4种方式，串联13%和6%电抗器，这种方式融合了第2、3种方式，抑制3次及以上谐波，符合商业建筑负载的谐波特性，也不会因为空间和造价而困扰用户及设计者。
5.2治理方案的设计
掌握商业建筑变压器及负载的相关参数，及设计目标为PF达0.95以上，谐波电流畸变率降低到5%以下，并通过对该项目一期0.4kV系统测试可得，0.4kV母线谐波有主要有3次、5次、7次谐波，3次电流畸变率为6.8%，5次畸变率为15.3%，7次畸变率为8.2%。
为了更好的解决商业建筑配电的电能质量问题，既要消除谐波同时还要抬升功率因数，提出一种新型的技术，谐波与无功捆绑式治理方案，采用ZMAF智能模块式混合滤波补偿装置，它可以对系统的谐波电流进行有效快速滤除，对无功功率快速跟踪补偿；经过系统分析与仿真验算，对于变压器为1600kVA取治理额定容量为500kvar+100A，每台变压器下装设1套，每套2面柜，其中100kvar串联13%电抗率，400kvar串联6%电抗率，有源容量100A，治理后目标功率因数及谐波达目标要求值，并且维护方便、操作简单。
5.3 ZMAF的原理及产品优势
ZMAF智能混合滤波补偿装置包含无源补偿模块和有源滤波模块二部分，共同承担无功补偿与谐波治理的任务。引进国外技术，集监测电网各项参数、谐波滤除及保护、无功补偿以及保护示警等功能于一体的新型无功补偿、谐波滤除的装置，在交0.4kV、50Hz低压电力系统中的在线检测、无功补偿、谐波滤波、稳定系统电压等方面有广泛的应用，它主要是针对商业建筑供电0.4kV总母线谐波含量较大及功率因数偏低问题（矫正电压电流波形，减少电压与电流之间的相位夹角）而设计的最佳方案。
图1：智能混合滤波补偿装置拓扑结构
5.4 应用效果分析
为了检测混合滤波补偿装置投运后的效果，甲方邀请我方携带法国CA8834电能质量测试仪器，在动力变0.4kV出线侧进行了测试，测试结果显示治理取得良好的效果，具体效果见下图所示：
图2：设备投入前谐波电流柱状频谱图
图3：设备投入后谐波电流柱状频谱图
图4：设备投入前功率因数频谱图
图5：设备投入后功率因数频谱图
从设备投入前后数据频谱图可以看出，智能模块式混合滤波补偿装置投入后谐波电流畸变率达到目标值小于5%，5次谐波电流从投入前的13%降低到2.6%，其余次数也有明显的降低，功率因数从0.81提高到0.98，效果非常明显，电能质量大大改善，有效的解决了功率因数低谐波含量高，同时能够很好的避免因供电质量差导致系统电气故障现象，同时降低了末端电压，增加网络元件供电能力裕量。
6.结语
针对商业建筑供用电系统存在的严重谐波污染和功率因数偏低的问题，并找出了非线性负载的工作特性，据此采取了有效的治理措施，投入设备后，抬升了功率因数，提高了相关设备利用率，同时解决了设备异常出现故障等现象；可见ZMAF智能模块
式混合补偿滤波装置对于谐波含量大、功率因数低场合应用性比较强，效果显著，相对纯粹的有源或无源有巨大的优势和发展空间；可以预计ZMAF将会不断在商业建筑配电系统中占主导地位，也会逐渐加深用户对该产品的认识，相信该产品将会被更广泛的接纳与应用。
参考文献：
[1]王兆安 张明勋 电力电子设备设计和应用手册 机械工业出版社
[2] ﹛奥地利﹜George J. Wakileh著徐政译电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计
[3]孙树勤 林海雪 干扰性负荷的供电中国电力出版社
[4] 杨啸天著.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术实务全书.北京：中国电力科技出版社,2006.1
[5] 吴竞昌，供电系统谐波，北京：中国电力科技出版社，1998
作者简介：景鹏 （1986-）男工程师上海电力学院电气工程及其自动化毕业主要从事无功补偿和谐波治理研究及设计工作