有源滤波器（APF）在商业建筑配电系统中的选型与应用探讨

有源滤波器（APF）在商业建筑配电系统中的选型与应用探讨

朱必仁

深圳机械院建筑设计有限公司广东深圳518027

摘要：有源滤波器（APF）是实现高质量电能标准要求的重要手段，但是其投入较高。因此，恰当的选择有源滤波器的容量，合理控制工程投入，是工程设计人员需要认真对待的实际问题。本文简要阐述了谐波产生的原因和特点，总结了不同滤波模式下的选型原则，对低压配电系统中有源滤波器（APF）的选型具有借鉴意义。

关键词：有源滤波器（APF）；应用；选型

1.谐波电流产生的原因

在供用电系统中，交流电压和交流电流呈正弦波形。当正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路时，电流就变为非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对于非正弦波周期电压、电流，可分解为傅里叶级数，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率为大于基波频率的分量为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率整数比。如调光设备、荧光灯、变频空调、可控硅等均会产生多次谐波（本工程地下室采用LED照明；有大量风机及变频泵，单体内有空调、电梯等设备）。

2.目前谐波容量的确定主要有以下两种方法

2.1根据运行环境确定容量法

根据多年的运行经验，推导出下列谐波电流计算经验公式，可满足工程设计要求。公式为经验公式，计算过程仅设计数值计算，不设计量纲：

无特殊干扰，如写字楼、住宅楼等，补偿系数选0.075～0.12。

中等干扰，如节能灯、电脑、复印机、空调相对集中的办公楼、灯光照明比较多的体育场和舞台剧场、通信数据中心、银行数据中心、电视演播中心、一般工厂等，补偿系数选0.12～0.225。

强干扰的项目，如通讯基站、电弧炉、大型UPS设备、变频器、焊接机、整流设备等工厂，补偿系数选0.225～0.3。（特殊性的负载根据实际确定其补偿系数）

2.2根据谐波负载确定容量法

根据不同类型的非线性负载的各自容量，以及负载的电流畸变率（THDI）确定各自所需补偿电流的大小，叠加计算得出所需配置的A-APF的容量。

考虑到谐波估算误差，后续也可以扩容，因此一般实际容量配置建议按照总谐波测试值或计算值的1.2倍进行设计。

3.谐波对电力系统的危害

谐波对公用电网是一种污染，客观存在对公用电网和其他系统的危害主要有：

3.1谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的三次谐波电流流过中线时会使线路过热甚至发生火灾；

3.2谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电动机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；

3.3谐波会引起公用电网中局部的并联揩振和串联揩振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大增加，甚至引起严重事故；

3.4谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确；

3.5谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者引起噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

4.现代商业建筑配电系统的谐波特点

4.1现代商业建筑中采用的变频设备

现代商业建筑中多采用6波头变频器。6波头变频设备产生的谐波主要以5、7次为主，11、13次为辅（更高次的谐波由于电流值较小，一般可忽略不计）。与单相设备相比，三相设备的单台容量较大，因此，其产生的谐波畸变较大，对配电系统影响也较大，应予以重点考虑。

4.2现代商业建筑中的单相设备

大部分办公及照明设备为单相整流设备。单相整流设备主要产生3次谐波，容易在中性线集聚，此时，中性线谐波含量可达相线谐波的3倍。这些设备单台功率不大，但由于其数量较多，总体负荷所占比重相对较大，因此，3次谐波的影响不可忽略，尤其在风机、空调等大功率设备停运的情况下。

4.3现代商业建筑负荷的运行特点

（1）季节性：现代商业建筑中的空调设备一般具有季节性运行的特点。

（2）时段性：商业、办公设备主要集中在9：00～18：00或9：00～21：00范围内运行，其他时段负荷较小。

4.4商业建筑负荷的容性特性

现代商业建筑中，一般采用电缆布线。长距离电缆，其容性特征较明显。现代商业建筑采用的照明设备都以带有整流或节能功能的现代照明灯具为主，其功率因数都较高。因此，在大功率负荷停运的情况下，系统整体可能出现功率因数高甚至过补偿的特点。所以，在对现代商业建筑配电设计时，要重点考虑3、5、7次谐波并存以及各次谐波具有季节性、时段性含量不同、影响不同的特点。同时，需兼顾功率因数补偿和谐波治理相结合。5商业建筑中的无源滤波及有源滤波应用

现代商业建筑配电系统中，一般采用串接电抗器的无源滤波补偿系统，一方面提升系统的功率因数，另一方面抑制系统中的主要次谐波。针对系统中3、5、7次谐波并存的情形，在配电设计中既可采用5.6%～7%电抗率抑制5、7次谐波的补偿，也可采用12%～14%电抗率抑制3次谐波的补偿，应根据系统中的设备情况综合考虑。然而，串接5.5%～7%或12%～14%电抗率的无源滤波补偿系统缺点如下：

（1）以无功补偿为主、抑制谐波为辅，其滤波特性受系统参数影响较大。

（2）只能消除部分特定次数的谐波，而对某些次数的谐波会产生放大作用，易产生谐振。

（3）滤波要求与无功补偿、调压要求难以同时兼顾。

（4）谐波电流增大时，可能造成无源滤波系统中元件设备过载。

若存在以上情况，可考虑采用无源滤波和有源滤波相结合的方式，既可有效滤除系统中的谐波，避免系统中谐波造成的危害，又能降低系统造价。有源滤波还具有以下优点：

（1）滤波目标可满足系统谐波总含量<3%，一般情况下，无源滤波的最大谐波畸变率为10%。

（2）高滤波性能，对于2～51次谐波均能滤除，无源滤波无法具备此优势。

（3）可在系统功率因数较高甚至接近1的情况下使用。现代商业建筑中，某些情况下功率因数较高，无源滤波此时无法投运。有源滤波器的使用，可有效滤除系统中的谐波，避免谐波对楼宇自控、消防等设施的干扰和影响。

6.有源滤波器的选型

工程设计中，有源滤波器的使用一般有两种模式，其各自的选型一般按照以下原则进行。

6.1配电室集中滤波模式

该模式指在配电室集中采用一台或多台有源滤波器，对系统内产生的谐波集中滤波，达到谐波治理的目标，如图1所示。该情况下，一般按照谐波源负载的总功率，计算出总的基波电流，按照基波电流的30%考虑谐波电流值，此谐波电流值即为有源滤波器选型的电流参考值。在此基础上，综合考虑设备的运行情况进行调整，如设备不是同时投运，则以同时投运的最大负荷进行考虑。总谐波电流确定后，一般选择较大电流的有源滤波器，若一台容量不够，可多台并联使用。

图1集中滤波模式接线图

如考虑经济性，则以谐波电流限值作为谐波治理目标。此时需要根据系统短路容量，按照GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》中对各次谐波电流的限值，计算出可不予滤除的各次谐波电流值，再计算总的谐波电流有效值。集中滤波模式下一般采用三相四线制有源滤波器。

6.2大型谐波源设备就地滤波模式

该模式指对大功率谐波源设备单独进行就地滤波，如图2所示。

图2就地滤波模式接线图

就地滤波的优点是：谐波就近被滤除，不对系统及设备产生干扰；滤波方式灵活，滤波效果较好，但可能受安装地点的影响。该情形下，按照谐波源设备的功率，计算其基波电流，根据其谐波特性，按照基波电流的20%～30%考虑谐波电流值。例如6波头变频设备，谐波电流值约为基波电流的30%，而12波头设备，其总谐波电流约为基波电流的12%。针对设备的滤波，谐波电流值可能与设备选型表中的电流值不一致，此时可采取数值就近的原则选型。

一般情况下，根据设备是三相三线制，还是三相四线制，选择对应的有源滤波器。

7.结语

随着电力电子设备的发展，有源滤波器正逐步在商业建筑中得到应用。其应用的原则既要考虑谐波电流的大小，还要考虑系统安全性的要求及整体造价与功率因数补偿的结合，同时需要根据现场情况，考虑设备的安装位置。

参考文献：

[1]朱海燕，韦忠善.RC有源滤波器的计算机辅助设计[J].广西职业技术学院学报，2011（04）

[2]苗汇静，孙桂华，王立新.通用有源滤波器设计[J].电子器件，2012（05）