建筑供电质量情况及策略

1研究背景及意义

根据美国电力科学研究院的一项关于电能质量的粗略估计，认为当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失高达260亿美元。而根据1992年日本电气协会发表的一项关于对电能质量问题之一——谐波源的调查报告中指明：最大谐波源来自整流器的用户占全部用户的90％，而在各行业产生的谐波量分布中，由建筑产生的谐波量占总数的40．6％，见图1产生谐波的行业分布情况。因此，研究和改善建筑供电电能质量，使之满足居民生产、生活水平发展的需求已经成为现代建筑电气领域迫切需要解决的重要课题之一。

2建筑供电电能质现状

2．1建筑内用电设备供电电能质量现状建筑内非线性用电设备主要有：电视机、各种荧光节能灯、空调机、计算机、充电器和信息技术设备等，这些设备大多数为数十瓦到数千瓦，容量小，但数量极多，其整体对谐波的影响严重。在发达国家中，居民和商业用的非线性负荷早已成为电网背景谐波的重要组成部分，我国几个大城市将要或已经进入这个阶段。下面将几种用电设备的电流总谐波畸变率THn总结在表1中。从以上的数据可以看出电压偏差、三相电压不平衡度、电压总谐波畸变率均在国标限值以内，但电压总谐波畸变率接近限值，电流总谐波畸变率较大，特别是中性线电流总谐波畸变率很大。

2．3某学校供电电能质量现状从表3测试结果分析可知：①三相电压比较正常，符合国标规定的+7％，一10％要求。②频率偏差符合国标规定，不超过±2％的要求。③三相电压不平衡度均在2％以下，符合国标要求。~GWr14549～1993(电能质量公用电网谐波》规定，380V低压系统的电压总谐波畸变率(THD)的限值为5．O％，奇次谐波含有率的限值为4．0％。电压总谐波畸变率严重超标，在7％以上。

2．4某大型商用办公楼供电电能质量现状从上面数据看出，谐波总畸变率均超过国标限值要求，用户电路的谐波畸变水平最高，特别是高层用户接入系统的公共连接点上的THD值普遍超标，有的甚至超出2到3倍。综上所述，现代建筑供电频率偏差一般不超过±2％的要求，符合国标规定。电压偏差、三相电压不平衡度较小，一般都在国标限值以内。建筑供电的质量问题主要是谐波，特别是电流波形畸变较严重，且电流中含有大量三次、五次谐波，偶次谐波很小，甚至可以忽略：中性线上的电流主要是三次谐波电流。

3建筑供电电能质量的对策

3．1电压偏差、波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压的改善措施

3．1．1采用隔离变压器、稳压器和滤波器组合系统该系统能消除电网中的瞬变干扰、较大负荷启动和制动引起的电压波动、电磁干扰等。其优点是投资少、运行可靠、维护方便、运行费用低等；其缺点是对突然停电或电网出现较大频率波动没有防护。

3．1．2不间断供电电源不间断供电电源具有稳压、稳频、抗干扰、防浪涌等功能；当遇到突然停电时，不问断供电电源可以对用电设备继续供电一段时间，使人们能及时处理计算机等设备中内存的信息，或者立即启动备用电源。

3．1．3高频信号保护器高频信号保护器主要防止天线的雷击和感应雷电。因为天线受雷击或雷电感应时，天线对偶极子上都将形成对地的暂态过电压。天馈线上两极导线上的暂态过电压是对共同地的，形成共模暂态电压。高频信号保护器的内部，采用特制的电感线圈，线圈两头并接在馈线上，中心抽头接地。高频信号保护器，主要用于防护雷击或雷电感应引起的天馈线对地的共模暂态电压幅值，从而保护通信设备免受暂态过电压侵害。

3．1．4瞬变浪涌保护器暂态过电压是配电系统中最常见的干扰形式，雷电仅是一种；主开关操作、补偿电容器的切换、重负荷的启动和运行等，都会产生暂态过电压。大部分过电压的产生带有随机性和重复性，往往伴随电网中其他干扰的发生而产生。采用瞬变浪涌保护器，来限制暂态过电压和分走浪涌电流，保障电子设备免受暂态过电压的干扰和侵害。

3．1．5电源过电压保护器雷电及其它瞬变浪涌冲击现象，对电子计算机等微电子设备造成很大的危害。电源过电压保护器是利用快速响应模块，通过其优良的非线性伏安特性，来实现抑制暂态过电压的。在正常工作时，模块呈高阻抗特性，泄漏电流很低不影响正常工作：当出现暂态过电压时，模块呈低阻抗特性，使暂态过电流迅速泄放，从而抑制暂态过电压，维持电压稳定。

3．2改善谐波的方法和措施在国内标准对建筑的低压供电网

总谐波电压畸变率限值尚无明确规定时，可考虑将电源系统的总谐波电压畸变率限制在5％以下。若超过5％应适当采取防范措施，以保证建筑供电系统的安全运行。抑制谐波的方法有两种，一是设计谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用；另一种是合理设计用电系统，对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，而且功率因数接近为1。

3．2．1合理设计用电系统，对用电设备进行改造，选用低谐波源用电设备①采用D，vn型配电变压器。在D，yn联结组变压器中，3n次谐波励磁电流在其接线的一次绕组内形成环流，不注入到公共的高压电网中去，较一次绕组Y接线的Y，vn联结组变压器更有利于抑制谐波。②对变流器本身进行改造，采用高功率因数变流器。具体可以有采用整流电路的多重化，即将几个桥式接流电路以串联方式多重联结，可以减少输入电流谐波；采用PWM整流电路；采用带斩波器的二极管整流电路：采用矩阵式变频电路等等。③合理设计用电系统，将非线性负荷与敏感负荷分开，分别由不同母线供电。④对有变频控制需要的用电设备，其变频装置应尽量靠近被控设备安装，并抑制谐波：对一些谐波源较大的回路应就地设置有源滤波器。⑤适当增大回路中配电线的线径，减小谐波电流对导线的影响和避免电气火灾。⑥严格选用符合电磁兼容性要求的电力电缆、信号电缆及通信电缆。

3．2．2设计谐波补偿装置来补偿谐波

(1)无源电力滤波器。无源电力滤波器由一组串并联的电容器、电感器和电阻元件构成，利用其在某一谐波频率下谐振时的低阻抗状态对谐波形成分流，从而降低注入电网的谐波电流起到滤波作用。无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。无源滤波器的缺点在于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定，只能消除特定的几次谐波，而对其它次谐波会产生放大作用，在特定情况下可能与系统发生谐振：谐波电流增大时滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载：有效材料消耗多，体积大：且在兼顾其它性能，如抑制电压偏差和不平衡度、以及由波动性负荷产生的无功倒送问题有时难以协调。

(2)有源电力滤波器(APFo有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，图2电力有源滤波器基本原理图其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点(传统的只能固定补偿)，实现了动态跟踪补偿。图2为电力有源滤波器基本原理图。有源电力滤波器的主要特点是：①实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率都进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。②可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。⑧补偿无功功率时不需要储能元件：补偿谐波时所需储能元件容量也不大。(即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能发生正常补偿作用。⑤受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。⑥能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。⑦既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功集中补偿。APF按与系统连接方式分类，可分为串联型、并联型、混合型和串一并联型。

(3)谐波保护器。谐波保护器能从源头消除谐波污染，为用电设备提供谐波保护，是一种并联在用户电路中的电力装置，可以连续地监测电力系统中电流的状态，同时阻隔并吸收电路中的高次谐波，使各类设备本身产生的谐波不干扰其他设备。谐波保护器可对波形进行纠正，在消除谐波的同时，可消除对用电设备极具破坏性的浪涌电压、尖峰信号等杂波，从而使各相电路中的电流、电压趋于平衡，相位差保持一致，充分发挥了各类设备的设计功能。

(4)谐波抵消电抗器。在涉及大电流时采用磁性方法治理谐波比有源滤波器有更低的成本。用磁场相互抵消方法解决谐波问题，没有电容器，仅仅是磁性设计方案，因此具有很高的可靠性与使用寿命：对3次序列谐波，即3次谐波的奇数整数倍(如3、9、15、21、27)的治理，采用低的零序阻抗；对5、7、9、l1、13等次谐波的治理采用相移办法，对3次谐波有很低阻抗，能清除3次谐波和中性线对地电压，它与负载并联连接，安装在配电柜内或竖井中，成本低，降低不平衡电流。

3．2．3建筑配电系统谐波治理现状、存在的问题

(1)存在的主要问题。其一，目前尚无建筑电能质量标准，国家颁布的和国际上有关电能质量标准均不适用于建筑；其二，很多建筑用户只重视无功补偿，提高功率因数，不重视谐波治理。当建筒谐波负荷较大时，如果仅仅考虑无功补偿，会造成谐波放大，使电容器无法投运：其三，技术上尚缺能综合治理建筑低压三相配电系统(380／220V)和低压单相配电系统(220V)谐波和无功的电力电子装置。

(2)建筑配电系统谐波治理现状。低成本的无源滤波器是目前普遍采用的补偿方法，但其滤波效果与系统运行参数密切相关，在特定情况下无源滤波器还可能与系统发生谐振，并且因电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果适得其反。8O年代以来，利用功率开关的有源电力滤波器(APF)的研究越来越引起人们的关注，被认为是治理电网谐波的最有前途的方法。有源电力滤波器的工业应用尚处于初期阶段，日本和美国已有此类产品投入实际运行。我国还处于研制阶段，有关研究还停留在实验室研究和工业化实验阶段，到目前为止，有源电力滤波器还未能在我国得到广泛运用。近来，国外又提出了“用户电力技术”(CustomPowerTechnology)这一解决谐波及无功功率问题的新概念，即使用电力电子技术提高供电可靠性并实现电能质量严格控制。用户电力技术是将现代电力电子技术、自动控制技术和数字信号处理技术等高新技术结合，为用户提供特定要求的电力供应的技术。将它运用于中、低配电系统，能有效地抑制谐波，补偿无功功率，消除电压波动和闪变、各相电压不对称，从而提高供电的安全性和可靠性。国内在电能质量控制方面的研究还处在起步阶段，并且大都局限在谐波问题的范围内，先后开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器(APF)、电能质量综合补偿器(UPQC)、动态电压恢复器(DVR)等，但这些装置多采用集中式补偿的方式着眼于电网，着眼于用户端的分布式电能质量补偿装置非常少，可见我国电能质量控制水平方面与国外的差距非常明显。

3．3三相电压不平衡通过找出因电源电压、线路阻抗、负荷特性因素导致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理设计单相负载的安装位置等。该方案可以有效减小系统中琴序谐波的产生，有利于设备的正常用电，减小损耗。

4提高供电质量的展望

4．1建立健全电能质量监督管理体系以各级电力调度部门为中心，逐步加强对电能质量指标的全面运行监测。这里“全面”的含义，包括电能质量指标的全面性、时间上连续性和监测上普及性，使本系统的电能质量受到全面、实时监测，其相关的统计数据最终能真实反映用户电能质量状况。

4．2完善电能质量标准体系历年来我国虽然制定了一些电能质量的标准，但离市场运作还有很大差距，表现在：电能质量的国家标准不完善；电气产品的电能质量标准差距相当大，对于大量干扰源的电气产品，应制定产生干扰的限制标准。

4．3加强电能质量的测量和治理运行监督部门应对电能质量指标做到全面运行监测。在电能质量治理上必须遵循《电力法》规定，“谁污染、谁治理”的原则。目前在管理上应加大宣传力度，提高对电能质量重要性认识，在普及电能质量知识基础上对相关专业人员进行技术培训，使其对标准的使用和治理措施选择上不出错。

5结束语

建筑供电质量，特别是谐波污染的日益严重已引起各方面的高度重视。随着对谐波产生的机理、谐波现象的进一步认识，将会找到更加有效的方法抑制和消除谐波，同时也有助于制定更加合理的谐波管理标准。加大对谐波研究的投入将会大大加快对谐波问题的解决，当然谐波问题的最终解决将取决于相关技术的发展，特别是电力电子技术的发展。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展、法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。我们在对建筑供电电能质量现状研究与对策方面虽然做了一些工作，但还存在着很多不足。如对电压波动和闪变及电压暂降等指标还没有关注，对谐波监测的数据积累的也不是很多。但随着用户对优质电能需求水平的提高，在社会公益和经济杠杆的双重作用下，人们将会自觉地逐步保证电能质量，为用户提供合乎要求的优质电能。