建筑电气设计中电源谐波问题的研究
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【摘要】现在建筑中，人们对电力需求越来越大， 对供电质量和可靠性要求也越来越高。但谐波除了会对线路造成损耗以外．还会对公用电网局部的串联谐振和并联谐振造成影响，使整个谐波发生变化，逐渐放大．甚至出现一些严重的事故。因此．必须对建筑电气设计中的电源谐波危害引起一定的重视，及时防治问题的产生。本文主要阐述了对电源谐波问题产生原因及控制方法的研究。
【关键词】 建筑电气设计 电源谐波问题研究
前言
在国际上认为谐波是一种周期电气量的正弦波分量，它所存在的频率是基波频率的整数倍。任何重复的周期性波形都可以分解成为一系列不同的频率和相位的正弦波。我们把工频与频率相同的分量称之为基波，其所产生的频率称为基频．而其他次数的正弦波分量称之为谐波，它们所产生的频率和基频呈现整数倍的关系。而电网谐波是影响电能质量的一个重要方面，现代建筑中谐波主要来自于两方面，一是来自公用电网本身具有一定的谐波含量，对敏感的电子设备的正常运行构成了严重威胁，甚至毁坏硬件，数据丢失，所造成的经济损失是巨大的。二是现代建筑中大量的非线性负荷如电子设备及电气设备形成的谐波源对配电系统污染严重，导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波。所以，我们要加紧研究出更科学的方法来解决谐波问题。
一、现代建筑中谐波现象产生的原因
谐波现象产生主要是大容量电力设备和用电整流或换流设备，以及其他非线性负荷造成。当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施，诸如变压器、导线、开关设备等。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波分量，其谐波电流值实际上与50Hz基波电压值和供电网的阻抗无关。因此，对大多数谐波源可视作为恒流源，它们与50Hz基波不同。基波一般是恒压源。
另外，电网中的非线性负载有：相控晶闸管整流设备和不间断电源(UPS)、变频装置、电弧炉、荧光灯等气体放电类光源、个人计算机及服务器和家用电器。这些设备大至电气化机车、电解槽、变速装置、整流器：小至电视机、计算机、充电器与节能灯等，这些大大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。即便供给它们理想的正弦波电压。流过它们的电流也含有谐波成分。
来自供电系统的多种异常波形对敏感的电子设备的正常运行构成了严重威胁，甚至毁坏硬件，数据丢失，所造成的经济损失是巨大的。智能建筑中大量的电子设备及电气设备产生的谐波对配电系统污染严重，随着智能建筑及智能小区的迅速发展，若治理不力，这种污染愈来愈重，将成为公用电网的主要污染源。因此现代智能建筑电气设计中必须很慎重地考虑谐波以及它的不良影响，综合治理好智能建筑的谐波和无功功率，对提高公用电网的电能质量以及提高智能建筑的功能和效益等方面有十分重要的意义。
二、谐波抑制的方法
现在的研究主要是从两个方面考虑，一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，
这对各种谐波源都是适用的；二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生
谐波，且功率因数可控制为1，这通常适用于中小功率装置或系统中比较集中
的主要谐波源的电力电子装置。
1、采用LC组成的无源调谐滤波器(Passive PowerFiter)
以前传统的谐波补偿办法主要是采用LC组成的无源调谐滤波器(PassivePower Filter)，由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。它利用电容、电感在谐波频率时发生谐振，提供谐波入地的低阻通路，使谐波导入大地脱离电网。它工作在基波时呈容性，能够同时补偿电网中感性无功功率，具有结构简单、技术成熟、前期投资少、功率容量大、运行可靠性高、运行费用低等优点， 一直被广泛使用。
但它缺点也较多：受电网阻抗和运行状态影响大，易和系统发生并联谐振，
导致谐波放大，甚至过载烧毁：它也只能补偿固定频率的谐波，当所需补偿谐波较多时需装置多组滤波器，既增加了成本也降低了可靠性；当电网容量大，阻抗小时为保证补偿效果需要滤波器有很高的品质因数；而当基波频率有波动时，滤波器补偿效果不理想。
无源调谐滤波器的主要类型如下图所示。
2、采用组成的有源电力滤波器
有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。与无源滤波器相比，有源滤波器有以下优点：为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响；没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿效果；原理上比滤波器更为优越．用一台装置就能完成各次谐波的补偿；即使高次谐波的频率发生变化，也能完全补偿；由于装置本身能完成输出限制，因此即使高次谐波量增大也不会过载。有源电力滤波器中最基本的是并联型，并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，而补偿电流的大小和装置的补偿目的有关。有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。同时也有可单独使用的串联型有源电力滤波器。单独使用的串联型有源电力滤波器可看作一个串入电网的电阻，该电阻对基波呈低阻态，对谐波呈现高阻，使谐波电流无法流入电网。它不易受电网阻抗的影响，当负载阻抗大，可视为电流源时，串联型滤波器补偿效果变差。单独使用的并联型有源电力滤波器可以视做一并联入电网的电阻，对基波呈现高阻状态，对谐波呈现低阻，将谐波电流旁路使电网谐波含最降低，当电网阻抗小或谐波源阻抗小呈现电压源特性时，滤波器的补偿效果受到不利影响。
3、采用高功率因数变流器
整流装置是电力系统的主要谐波源。对整流装置改进，使其尽量不产生谐波，并且电流电压同相位，称高功率因数整流器或高功率因数变流器。
(1)采用整流电路的多重化
采用整流电路的多重化来减少谐波是一种传统方法。将几个桥式整流电路以串联方式多重联结可以减少输入电流谐波，用该方法构成的整流器对抑制谐波比较有效，但对功率因数的提高不明显。
(2)采用PWM(脉宽调制Pulse Width Modularion)整流电路
PWM整流电路有电压型和电流型两种，其中电压型应用较多。通过对PWM
整流电路适当控制，可以使PWM整流电路输入电流几乎接近正弦波，且电流电压同相位，功率因数近似为1，称为高功率因数变流器。
(3)采用带斩波器的二极管整流电路
带电容滤波的二极管整流电路尽管结构简单、成本低，但工作时输入电流含有大量谐波，若在整流桥与滤波电容间加一级用于功率因数校正的功率转换电路(即有源功率因数校正电路)，则可以便输入电流接近正弦波，且大大提高功率因数。
(4)矩阵式变频电路
该电路是一种用全控开关器件、采用斩波方式，不通过中间环节直接把一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，进行交流变频的新颖变频电路。这种电路的优点是输入电流可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为l，也可控制为需要的功率因数；其输出电压也为正弦波，输出频率不受电网频率的限制。缺点主要是电路复杂，每个电路至少要用18个全控型器件，每个器件还要并一个二极管。此外，其控制也很复杂。
4、采用谐波保护器。
采用磁性方法治理谐波比有源滤波器成本更低。谐波保护器从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题，即采用磁场吸收谐波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此类产品如谐波保护器(HPD)，采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路，能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。HPD并联在电路中使用，本身并不耗电。
结语
总之，在现代建筑电气设计中，由于谐波具有多发性、随机性和不可重复性，导致智能建筑中的各种电气设备性能下降、无法工作的现象时有发生，因此，为保证现代智能建筑中各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行，必须要采取相应措施，全面提高电源谐波的防治工作，降低谐波的含量，防止配电系统的电压和电流出现畸变，从而产生谐波。
参考文献
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