智能小区配电系统电能质量改善技术探讨

[导读] 智能小区利用现代4C(即计算机、通讯网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元化信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，在实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境的同时也对配电系统的电能质量提出更高的要求。           

智能小区利用现代4C(即计算机、通讯网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元化信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，在实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境的同时也对配电系统的电能质量提出更高的要求①。

1.引言

近年来，智能建筑技术有了新的发展，人们把智能建筑技术扩展到一个区域的几座智能建筑进行综合管理，再分层次地联接起来进行统一管理，这样的区域称为智能小区。住宅小区智能化是目前国内、外住宅建设领域和信息产业领域非常热门而又前沿的话题，也是能否实现住宅产业信息化的关键问题之一。

智能小区利用现代4C(即计算机、通讯网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元化信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，在实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境的同时也对配电系统的电能质量提出更高的要求①。

2.智能小区配电系统电能质量问题

2.1.无功功率问题

在智能小区的配电系统中使用了大量的感性负载，感性负载(如日光灯、水泵等)在运行过程中需要消耗大量的无功功率，造成配电系统产生如下问题：

(1)降低发电机有功功率的输出。

(2)降低输、变电设备的供电能力。

(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。

(4)造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

2.2.谐波问题

造成系统正弦波形畸变、产生谐波的设备和负荷称为谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。现代智能建筑中谐波主要来自于两方面,一是公用电网本身具有一定的谐波含量和配电变压器作为谐波源产生的谐波,由网侧传输至配电系统;二是大量非线性负荷形成的谐波源(如电动机、变压器、电子设备、自动控制装置、开关电源、电子式荧光整流器、家用电器等)导致配电系统的电压、电流发生畸变,产生谐波。

家用电器单个容量不大，但数量很大且散布于各处，其所产生的谐波造成的污染不容忽视，一般家用电器所产生的高次谐波电流含量如下表所示。随着家用电器的发展，其产生的谐波污染已日益成为不可忽视的问题。②

表一、常用家用电器所产生的谐波电流含量(%)

当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送入大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低，损坏系统设备。威胁电力系统的安全运行，增加电力系统的功率损耗等，给系统带来危害。

谐波对公用电网和其他系统的危害大致归纳为以下几个方面：

(1)谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备 的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

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

(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。

(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不准确。

(5)谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的通信系统产生干扰，轻者产 生噪声，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。

3.谐波和无功的抑制方法

3.1谐波抑制

谐波电流已经对电力系统和供电系统产生了严重危害，必须采取有效的治理 措施。就目前的情况而言，解决电力电子装置谐波问题的主要方法可以分为以下 两大类：

一种是主动型谐波抑制方案:即对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，或根据需要对其功率因数进行控制。主动型谐波抑制方案常用的方法包括增加整流器的相数、使用脉宽调制法，采用多电平变流技术和加装功率因数预调整器等，这种方法能从根源上解决谐波问题，滤波效果好。

主动型谐波抑制方案仅适用于电力电子设备类谐波源。其主要问题还在于成本高、效率低，并可能影响设备的可靠性。同时，电力电子系统中高功率因数整流器的高频率PWM载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射干扰.

因此在设计主动型谐波抑制方案时，必须用EMI滤波器将高次谐波信号从系统中滤除，防止它们作为传导干扰进入电网，还要利用屏蔽防止它们作为辐射干扰进入自由空间，对空间产生电磁污染。

另一种是被动型谐波抑制方案:即谐波负载本身不加改变，而是在电力系统或谐波负载的交流侧加装无源滤波器、有源电力滤波器等装置，通过外加设备对电网实施谐波补偿，但是无源滤波器滤除效果差，并且只能针对单独某一次进行滤除，所以行业内大多选用有源电力滤波器进行谐波补偿。

3.2无功补偿技术

无功补偿装置采用电容器串联一定电抗率的电抗器进行安全补偿，既能补偿无功功率，同时能抑制谐波被放大，是目前无功补偿的主要技术。

4.动态滤波补偿装置的工作原理

动态滤波补偿装置基于最先进的柔性输配电技术开发的创新一代产品，将有源滤波与无源滤波补偿技术有机结合，突破传统应用，在有效降低成本的同时，实现最佳的滤波补偿效果。装置的工作原理分为两个部分，即无功补偿装置的工作原理和有源滤波器的工作原理，具体如下所述：

4.1无功补偿装置补偿原理

无功补偿装置采用电容器串联电抗器的方式，使其在一定频率下形成低阻抗回路，通过自动功率因数控制器控制电容器单元投切，从而达到无功补偿和抑制谐波被放大的功能，根据谐波阶次不同，可分为抑制三次谐波(电抗率为12%~14%)和抑制五次谐波(6%~7%)两种形式;根据投切单元不同可分为接触器投切(静态补偿)和晶闸管投切(动态补偿)。由于智能小区中使用的负载多为单相设备，而单相设备会产生三次谐波，因此在智能小区中通常抑制三次谐波的电抗器来进行无功补偿。

4.2有源滤波器滤波原理

有源滤波器，采用现代电力电子技术和基于DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。是目前谐波治理行业主要设备。其主要技术优势如下：

1.双向调节功率因数

2.强大的滤波功能，可以滤除系统中2~50阶次谐波

3.可滤除中性线上谐波

4.良好的动态响应时间，其响应时间为300微秒

5.动态分相补偿谐波，可以改善系统的三相不平衡现场

动态滤波补偿装置将安全补偿和有源滤波装置进行完美结合,通过控制系统协调二者之间的工作逻辑，实现在无功补偿和有源滤波器的双重功能，与原有的补偿装置和有源滤波器同时安装相比其优势如下：

1.控制方式灵活

将有源滤波与无源滤波补偿技术互补，用一个控制器来灵活设置无功补偿的动态范围及滤除谐波的容量;自动跟踪负荷变化，分相无极输出容性或感性无功电流

2.响应速度快，补偿精度高

利用有源单元可以产生双向无功电流的特性，实现远远超出晶闸管投切速度的极速动态无功补偿;并且可实现分相无极调节。

3.较高的性价比

无源滤波装置能滤除一定的谐波及补偿无功，有源装置不仅具有动态谐波滤除功能，还具有快速分相无功补偿功能，在保证滤波效果的同时，有效降低有源滤波单元的容量

4.工业化结构设计

将有源滤波和无源滤波集成在一个柜内，结构紧凑、占地面积小、装置效率高且自身功耗低

5.智能监控

大屏幕HMI人机界面、工作状态一目了然，故障自动诊断;具备远程通讯接口，可实时远程监控

6.动态滤波补偿装置应用案例

某智能建筑(采用三A控制既设备自动化系统、办公自动化系统、通信自动化系统)中使用大量自动化设备，这些设备在运行时需要高质量的电源，采用动态滤波补偿装置进行滤波补偿。运行效果如下：

图1.装置未投入系统电压电流波形图

图2装置未投入系统电流频谱图

图3.装置投入后系统电压电流波形图

图4.装置投入后系统电流频谱图

表1.LSVG投入前后系统谐波数据

表2.LSVG投入前后系统功率数据

7.结束语

智能小区的配电系统中由于负载及电网中的谐波影响，造成其电能质量恶劣，而在智能小区中普遍使用的自动控制系统对电能质量要求却较高，因此采用合理的谐波治理设备是保证智能设备正常运行的良好保证，动态滤波补偿装置(LSVG)将有源滤波和无源滤波完美的结合在一起，在提供无功补偿、谐波治理的同时降低设备投入成本，而且其平滑无极调节功率因数特性，更是符合小区用电的峰谷特点，是智能小区改善电能质量的最佳设备。