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1研究背景及意義

根據美國電力科學研究院的一項關于電能質量的粗略估計，認為當今和電能質量相關的問題在美國每年造成的損失高達260億美元。而根據1992年日本電氣協會發表的一項關于對電能質量問題之一——諧波源的調查報告中指明：最大諧波源來自整流器的用戶占全部用戶的90％，而在各行業產生的諧波量分布中，由建筑產生的諧波量占總數的40．6％，見圖1產生諧波的行業分布情況。因此，研究和改善建筑供電電能質量，使之滿足居民生產、生活水平發展的需求已經成為現代建筑電氣領域迫切需要解決的重要課題之一。

2建筑供電電能質現狀

2．1建筑內用電設備供電電能質量現狀建筑內非線性用電設備主要有：電視機、各種熒光節能燈、空調機、計算機、充電器和信息技術設備等，這些設備大多數為數十瓦到數千瓦，容量小，但數量極多，其整體對諧波的影響嚴重。在發達國家中，居民和商業用的非線性負荷早已成為電網背景諧波的重要組成部分，我國幾個大城市將要或已經進入這個階段。下面將幾種用電設備的電流總諧波畸變率THn總結在表1中。從以上的數據可以看出電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓總諧波畸變率均在國標限值以內，但電壓總諧波畸變率接近限值，電流總諧波畸變率較大，特別是中性線電流總諧波畸變率很大。

2．3某學校供電電能質量現狀從表3測試結果分析可知：①三相電壓比較正常，符合國標規定的+7％，一10％要求。②頻率偏差符合國標規定，不超過±2％的要求。③三相電壓不平衡度均在2％以下，符合國標要求。~GWr14549～1993(電能質量公用電網諧波》規定，380V低壓系統的電壓總諧波畸變率(THD)的限值為5．O％，奇次諧波含有率的限值為4．0％。電壓總諧波畸變率嚴重超標，在7％以上。

2．4某大型商用辦公樓供電電能質量現狀從上面數據看出，諧波總畸變率均超過國標限值要求，用戶電路的諧波畸變水平最高，特別是高層用戶接入系統的公共連接點上的THD值普遍超標，有的甚至超出2到3倍。綜上所述，現代建筑供電頻率偏差一般不超過±2％的要求，符合國標規定。電壓偏差、三相電壓不平衡度較小，一般都在國標限值以內。建筑供電的質量問題主要是諧波，特別是電流波形畸變較嚴重，且電流中含有大量三次、五次諧波，偶次諧波很小，甚至可以忽略：中性線上的電流主要是三次諧波電流。

3建筑供電電能質量的對策

3．1電壓偏差、波動和閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓的改善措施

3．1．1采用隔離變壓器、穩壓器和濾波器組合系統該系統能消除電網中的瞬變干擾、較大負荷啟動和制動引起的電壓波動、電磁干擾等。其優點是投資少、運行可靠、維護方便、運行費用低等；其缺點是對突然停電或電網出現較大頻率波動沒有防護。

3．1．2不間斷供電電源不間斷供電電源具有穩壓、穩頻、抗干擾、防浪涌等功能；當遇到突然停電時，不問斷供電電源可以對用電設備繼續供電一段時間，使人們能及時處理計算機等設備中內存的信息，或者立即啟動備用電源。

3．1．3高頻信號保護器高頻信號保護器主要防止天線的雷擊和感應雷電。因為天線受雷擊或雷電感應時，天線對偶極子上都將形成對地的暫態過電壓。天饋線上兩極導線上的暫態過電壓是對共同地的，形成共模暫態電壓。高頻信號保護器的內部，采用特制的電感線圈，線圈兩頭并接在饋線上，中心抽頭接地。高頻信號保護器，主要用于防護雷擊或雷電感應引起的天饋線對地的共模暫態電壓幅值，從而保護通信設備免受暫態過電壓侵害。

3．1．4瞬變浪涌保護器暫態過電壓是配電系統中最常見的干擾形式，雷電僅是一種；主開關操作、補償電容器的切換、重負荷的啟動和運行等，都會產生暫態過電壓。大部分過電壓的產生帶有隨機性和重復性，往往伴隨電網中其他干擾的發生而產生。采用瞬變浪涌保護器，來限制暫態過電壓和分走浪涌電流，保障電子設備免受暫態過電壓的干擾和侵害。

3．1．5電源過電壓保護器雷電及其它瞬變浪涌沖擊現象，對電子計算機等微電子設備造成很大的危害。電源過電壓保護器是利用快速響應模塊，通過其優良的非線性伏安特性，來實現抑制暫態過電壓的。在正常工作時，模塊呈高阻抗特性，泄漏電流很低不影響正常工作：當出現暫態過電壓時，模塊呈低阻抗特性，使暫態過電流迅速泄放，從而抑制暫態過電壓，維持電壓穩定。

3．2改善諧波的方法和措施在國內標準對建筑的低壓供電網

總諧波電壓畸變率限值尚無明確規定時，可考慮將電源系統的總諧波電壓畸變率限制在5％以下。若超過5％應適當采取防范措施，以保證建筑供電系統的安全運行。抑制諧波的方法有兩種，一是設計諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都適用；另一種是合理設計用電系統，對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，而且功率因數接近為1。

3．2．1合理設計用電系統，對用電設備進行改造，選用低諧波源用電設備①采用D，vn型配電變壓器。在D，yn聯結組變壓器中，3n次諧波勵磁電流在其接線的一次繞組內形成環流，不注入到公共的高壓電網中去，較一次繞組Y接線的Y，vn聯結組變壓器更有利于抑制諧波。②對變流器本身進行改造，采用高功率因數變流器。具體可以有采用整流電路的多重化，即將幾個橋式接流電路以串聯方式多重聯結，可以減少輸入電流諧波；采用PWM整流電路；采用帶斬波器的二極管整流電路：采用矩陣式變頻電路等等。③合理設計用電系統，將非線性負荷與敏感負荷分開，分別由不同母線供電。④對有變頻控制需要的用電設備，其變頻裝置應盡量靠近被控設備安裝，并抑制諧波：對一些諧波源較大的回路應就地設置有源濾波器。⑤適當增大回路中配電線的線徑，減小諧波電流對導線的影響和避免電氣火災。⑥嚴格選用符合電磁兼容性要求的電力電纜、信號電纜及通信電纜。

3．2．2設計諧波補償裝置來補償諧波

(1)無源電力濾波器。無源電力濾波器由一組串并聯的電容器、電感器和電阻元件構成，利用其在某一諧波頻率下諧振時的低阻抗狀態對諧波形成分流，從而降低注入電網的諧波電流起到濾波作用。無源濾波器的優點是投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進行無功補償的主要手段。無源濾波器的缺點在于其濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對其它次諧波會產生放大作用，在特定情況下可能與系統發生諧振：諧波電流增大時濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載：有效材料消耗多，體積大：且在兼顧其它性能，如抑制電壓偏差和不平衡度、以及由波動性負荷產生的無功倒送問題有時難以協調。

(2)有源電力濾波器(APFo有源電力濾波器(APF)是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，圖2電力有源濾波器基本原理圖其應用可克服無源濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點(傳統的只能固定補償)，實現了動態跟蹤補償。圖2為電力有源濾波器基本原理圖。有源電力濾波器的主要特點是：①實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率都進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。②可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節。⑧補償無功功率時不需要儲能元件：補償諧波時所需儲能元件容量也不大。(即使補償對象電流過大，有源電力濾波器也不會發生過載，并能發生正常補償作用。⑤受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振。⑥能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。⑦既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功集中補償。APF按與系統連接方式分類，可分為串聯型、并聯型、混合型和串一并聯型。

(3)諧波保護器。諧波保護器能從源頭消除諧波污染，為用電設備提供諧波保護，是一種并聯在用戶電路中的電力裝置，可以連續地監測電力系統中電流的狀態，同時阻隔并吸收電路中的高次諧波，使各類設備本身產生的諧波不干擾其他設備。諧波保護器可對波形進行糾正，在消除諧波的同時，可消除對用電設備極具破壞性的浪涌電壓、尖峰信號等雜波，從而使各相電路中的電流、電壓趨于平衡，相位差保持一致，充分發揮了各類設備的設計功能。

(4)諧波抵消電抗器。在涉及大電流時采用磁性方法治理諧波比有源濾波器有更低的成本。用磁場相互抵消方法解決諧波問題，沒有電容器，僅僅是磁性設計方案，因此具有很高的可靠性與使用壽命：對3次序列諧波，即3次諧波的奇數整數倍(如3、9、15、21、27)的治理，采用低的零序阻抗；對5、7、9、l1、13等次諧波的治理采用相移辦法，對3次諧波有很低阻抗，能清除3次諧波和中性線對地電壓，它與負載并聯連接，安裝在配電柜內或豎井中，成本低，降低不平衡電流。

3．2．3建筑配電系統諧波治理現狀、存在的問題

(1)存在的主要問題。其一，目前尚無建筑電能質量標準，國家頒布的和國際上有關電能質量標準均不適用于建筑；其二，很多建筑用戶只重視無功補償，提高功率因數，不重視諧波治理。當建筒諧波負荷較大時，如果僅僅考慮無功補償，會造成諧波放大，使電容器無法投運：其三，技術上尚缺能綜合治理建筑低壓三相配電系統(380／220V)和低壓單相配電系統(220V)諧波和無功的電力電子裝置。

(2)建筑配電系統諧波治理現狀。低成本的無源濾波器是目前普遍采用的補償方法，但其濾波效果與系統運行參數密切相關，在特定情況下無源濾波器還可能與系統發生諧振，并且因電容器組無功功率補償能力與公共連接點電壓的平方成正比關系，補償效果適得其反。8O年代以來，利用功率開關的有源電力濾波器(APF)的研究越來越引起人們的關注，被認為是治理電網諧波的最有前途的方法。有源電力濾波器的工業應用尚處于初期階段，日本和美國已有此類產品投入實際運行。我國還處于研制階段，有關研究還停留在實驗室研究和工業化實驗階段，到目前為止，有源電力濾波器還未能在我國得到廣泛運用。近來，國外又提出了“用戶電力技術”(CustomPowerTechnology)這一解決諧波及無功功率問題的新概念，即使用電力電子技術提高供電可靠性并實現電能質量嚴格控制。用戶電力技術是將現代電力電子技術、自動控制技術和數字信號處理技術等高新技術結合，為用戶提供特定要求的電力供應的技術。將它運用于中、低配電系統，能有效地抑制諧波，補償無功功率，消除電壓波動和閃變、各相電壓不對稱，從而提高供電的安全性和可靠性。國內在電能質量控制方面的研究還處在起步階段，并且大都局限在諧波問題的范圍內，先后開發了一些改善和提高電能質量的電能質量補償裝置，包括各種有源電力濾波器(APF)、電能質量綜合補償器(UPQC)、動態電壓恢復器(DVR)等，但這些裝置多采用集中式補償的方式著眼于電網，著眼于用戶端的分布式電能質量補償裝置非常少，可見我國電能質量控制水平方面與國外的差距非常明顯。

3．3三相電壓不平衡通過找出因電源電壓、線路阻抗、負荷特性因素導致的三相不平衡原因，并加以消除，如合理設計單相負載的安裝位置等。該方案可以有效減小系統中琴序諧波的產生，有利于設備的正常用電，減小損耗。

4提高供電質量的展望

4．1建立健全電能質量監督管理體系以各級電力調度部門為中心，逐步加強對電能質量指標的全面運行監測。這里“全面”的含義，包括電能質量指標的全面性、時間上連續性和監測上普及性，使本系統的電能質量受到全面、實時監測，其相關的統計數據最終能真實反映用戶電能質量狀況。

4．2完善電能質量標準體系歷年來我國雖然制定了一些電能質量的標準，但離市場運作還有很大差距，表現在：電能質量的國家標準不完善；電氣產品的電能質量標準差距相當大，對于大量干擾源的電氣產品，應制定產生干擾的限制標準。

4．3加強電能質量的測量和治理運行監督部門應對電能質量指標做到全面運行監測。在電能質量治理上必須遵循《電力法》規定，“誰污染、誰治理”的原則。目前在管理上應加大宣傳力度，提高對電能質量重要性認識，在普及電能質量知識基礎上對相關專業人員進行技術培訓，使其對標準的使用和治理措施選擇上不出錯。

5結束語

建筑供電質量，特別是諧波污染的日益嚴重已引起各方面的高度重視。隨著對諧波產生的機理、諧波現象的進一步認識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時也有助于制定更加合理的諧波管理標準。加大對諧波研究的投入將會大大加快對諧波問題的解決，當然諧波問題的最終解決將取決于相關技術的發展，特別是電力電子技術的發展。隨著國民經濟、諧波抑制技術的進一步發展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。我們在對建筑供電電能質量現狀研究與對策方面雖然做了一些工作，但還存在著很多不足。如對電壓波動和閃變及電壓暫降等指標還沒有關注，對諧波監測的數據積累的也不是很多。但隨著用戶對優質電能需求水平的提高，在社會公益和經濟杠桿的雙重作用下，人們將會自覺地逐步保證電能質量，為用戶提供合乎要求的優質電能。