现代化智能建筑中用电负荷的电能质量治理设备选择

2016-08-24韩莉

现代建筑电气 2016年6期

关键词：有源谐波滤波器

韩　莉

(山东省建筑设计研究院, 山东济南　250001)

现代化智能建筑中用电负荷的电能质量治理设备选择

韩莉

(山东省建筑设计研究院, 山东济南250001)

智能建筑根据功能的需求会使用不同类型的负荷,其中包含了许多典型的电力电子非线性设备,这些设备运行时给配电系统带来电能质量问题。结合某影剧院电能质量治理方式,对比了传统补偿滤波方案、有源滤波补偿方案、SVG混合动态补偿方案,归纳了针对不断更新的非线性负荷所在的配电环境采用新型治理装置的优势。提出在建筑电气设计时需了解智能建筑项目负载类型,以合理选择电能质量治理设备的类型和容量。

智能建筑; 有源电力滤波器; 电能质量; 静止无功发生器

0　引　言

不断发展的电力电子技术为实现不同智能建筑的功能提供技术支撑,也为新型建筑的发展提供保障。变频、整流、开关电源等非线性电力电子设备大量应用于智能建筑中,这些非线性负荷运行时产生的主要电能质量问题是谐波和无功,谐波会增加变压器的损耗,引起断路器误动作、系统谐振、导线集肤效应,无功使功率因数低,配电网负荷上升。

1　谐波危害

因智能建筑的功能不同,使用的配电设备根据场合的需要会随时做出调节,导致配电系统的负载率在不停变化,谐波含量高低不等,功率因数大小不一[1-4]。

以某现代化影剧院为例,舞台使用了二极管调光灯,场景转换使用了变频驱动的机械臂,剧场内采用了中央空调以及音响系统,背景荧幕是大型LED环形屏幕。这些视听负荷均为电力电子的非线性负荷,使用时根据场景的不同会随时改变,引起配电系统谐波大小波动、功率因数浮动等电能质量问题。

电力系统电压、电流、功率因数谐波的变化趋势如图1～图3所示。

图1　电压谐波的变化趋势图

由图1可见,三相电压谐波畸变率在负荷运行时变化范围为3%～7%,系统在测试的待机时间内畸变率较低(3%左右),负荷动作时畸变率较高(接近7%),超出国家标准允许值(5%)的规定。由图2可见,在测试的时间内三相电流畸变率不断变化,数值高达55%～75%。由图3可见,测试时间内功率因数较低,在0.65～0.85区间变动。

图2　电流谐波的变化趋势图

图3　功率因数变化趋势图

谐波的存在会对配电系统构成非常严重的影响:

(1) 变压器干扰。变压器的铜损和铁损会在谐波电流的作用下,因焦耳效应和涡流而增加。绕组的损耗与电流畸变率的平方成正比,铁损与电压畸变率成线性关系。谐波的畸变率越大,损耗越大[5]。

(2) 电容器损耗。系统产生的谐波电压作用于电容器上时,触发的谐波电流与谐波频率成正比,在原有阻抗上的损耗增加。同时,系统中某些频率的谐波会与电容器发生谐振,击穿或烧毁电容器[6-8]。

(3) 导体损耗。导体的总电流有效值变大,因集肤效应的存在,导体温度变高,系统热损增加。

(4) 异步电机损耗。系统的谐波电压在转子中产生的谐波电流会增加发热,同时谐波产生的磁场与基波产生的磁场相互作用,产生的脉动转矩造成严重的噪声。

2　电能质量的治理方式

国家标准GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》[9]规定,电网标称电压0.38 kV下允许的电压总谐波畸变率为5%,奇次、偶次谐波电压含有率分别为4%、2%;治理后注入电网公共连接点的谐波电流分量(方均根值)不应超过表1中规定的允许值(在保留现有电容柜的情况下)。

表1　谐波电流允许值　A

(1) 传统治理方式。主要使用电容器和电抗器以一定的阻抗比串联后,再并联到系统中,用以滤波及无功补偿。无源滤波器包括单调谐滤波器、双带通滤波器、高通滤波器、反谐振滤波器。

① 单调谐滤波器在调谐频率下谐波的阻抗为电阻,用于低次谐波的抑制,当谐波频率低于调谐频率时,滤波器阻抗呈容性;而高于调谐频率时,滤波装置呈感性,通常选择高品质因数,减少损耗。

② 双带通滤波器最低阻抗出现在两个调谐频率处,基波损耗小,但是结构复杂,调谐困难,应用较少。

③ 高通滤波器在高频率时呈低阻抗,消除高次谐波;低频时为高阻抗,低次谐波不能通过,品质因数为0.5～5.0。

(2) 新型治理方案。使用基于电力电子器件IGBT技术的有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)和静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)组合的谐波治理和无功补偿方案。

有源滤波器能动态抑制谐波和补偿无功,系统模型为一个多输入/多输出耦合的非线性系统,主体是有源逆变器,按其接入电网的方式可分为单独串联型、单独并联型、混合型和多变流器混合型。混合型APF可以看作是统一的电能质量调节器,具有容量低等优点,应用在中等和大功率的场合。APF受高压、大电流半导体器件的限制,采用串联APF和并联无源滤波器的混合滤波器方案,能有效解决该问题。

3　配置应用及分析

影剧院负荷在待机和全功率运行时的数据如图4所示。

图4　影剧院负荷在待机和全功率运行时的数据

由图4可知,系统在待机状态时电流约为60 A,随着负荷的逐步运行,电流逐渐增加,最高达380 A,中性线电流非常大,峰值运行时高达554.4 A。由于非线性负载的电力电子部分总功率为定值,因此系统在开启到最大状态的过程中,随着基波部分的含量提高,总畸变率在下降,由待机状态的75%降为55%。三相电流波形全程均为畸变的半波、斩波形状,奇次谐波含量高,3、5、7、9次谐波所占比例大。系统三相总视在功率在运行时为30～120 kVA,其中A、B、C每相变化为10～40 kVA。

系统最大无功功率为

谐波电流大小为

Ih=380×55%=209 A

(1) 传统治理方案。根据系统测试的结果,需要配置滤波和无功补偿回路。无功补偿按照60kvar(15kvar×4)设置,谐波按照3、5、7、高通支路设置。以上配置考虑配电安全,每个支路1个柜体,共需要5个柜体,单柜体标准尺寸为1 000mm×1 000mm×2 200mm(宽×深×高)。

(2) 新型治理方案。根据谐波大小,配置200A有源滤波器。无功补偿如果采用纯SVG,成本太高。为了达到0.95以上的功率因数,可部分使用SVG模块,其他仍沿用常规电容电抗方式。因此,补偿支路为15kvar×2(电容电抗)+30kvar×1(SVG模块),柜体数量为2,单柜标准尺寸为1 000mm×1 000mm×2 200mm(宽×深×高)。

由于负荷不是稳定运行的不变量,而传统方案的滤波支路为固定值,不能应负载变化及时处理所有谐波,导致滤波后波形仍然不能呈现正弦。无源滤波电流波形如图5所示。

图5　无源滤波电流波形

有源滤波器依据负荷电流大小经DSP信号处理后,由IGBT快速触发等大小、反方向的谐波电流进行补偿,响应速度快,因此可以做到滤波彻底。有源滤波电流波形如图6所示。

图6　有源滤波电流波形

无功补偿55 kvar时仿真结果如图7所示。

图7　无功补偿55 kvar时的仿真结果

由图7可知,传统方案中电容电抗每组数值固定,为防止过补,只能投入3组电容装置补偿,系统将处于缺少10 kvar的欠补状态;SVG混合补偿方案可以根据需补偿当量的大小,在常规电容达不到目标值时柔性输出10 kvar,功率因数可高达0.99。

无功补偿40 kvar时仿真结果如图8所示。由图8可知,传统补偿方案需要切除一组,系统整体依然处于欠补状态,而系统在电容投入/切除时会受到一定的冲击,导致电压不稳;SVG混合补偿方案可不切除常规电容,SVG模块直接反向感性输出,达到平衡容性电容的目的。

图8　无功补偿40 kvar时的仿真结果

综上所述,两种方案在应对现代化的智能负荷时表现差异很大。传统补偿方案与SVG混合补偿方案的对比如表2所示。

表2传统补偿方案与SVG混合补偿方案的对比

比较项目传统补偿方案SVG混合补偿方案滤波方式及效果无源方式,较差有源方式,好补偿方式及效果电容电抗,较差电容电抗+SVG,好目标功率因数实现分级台阶式,不能连续可调,易造成过补或欠补的情况,补偿后功率因数一般为0.8～0.9 精度达0.99,有效避免了过补和欠补的情况动态响应时间完成一次补偿最快需20ms 响应时间小于5ms,动态响应时间小于100μs补偿能力电容器提供无功功率,只能补偿感性负荷,在系统呈容性或容性、感性反复变化的状态,则失去补偿效果 SVG可动态双向连续调节无功功率,即从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功,固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿对配电网的冲击影响较大小占地面积大小

4　结　语

本文结合某影剧院负载运行情况,对比分析了传统滤波补偿方案与SVG混合动态补偿方案。结果表明,比较稳定的配电系统中可以使用传统滤波补偿方案进行滤波及无功补偿,相比较经济;在现代化智能建筑配电系统中非线性负荷多,变化快速的情况,需考虑采用基于先进电力电子技术的滤波及补偿方案;在配电系统设计时应考虑采用电能质量治理的方式,以选择合适的容量,避免有源滤波或SVG容量选择过大,造成成本增加。

[1]姜文龙.电力系统谐波及其抑制方法的研究[D].济南:山东大学2013.

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[9]电能质量公用电网谐波: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)