摘要：近年来，现代建筑电气中各种开关电源、不间断电源、电力电子器件用量越来越大，使得配电系统的谐波污染日益严重，由谐波引起的各类事故和故障不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失，因此谐波危害的严重性受到了人们的广泛关注。本文通过对有源电力滤波器的研究，并在现代建筑电气系统中的应用，以此来降低系统中的谐波含量，提高供电质量。
关键词：有源电力滤波器APF；谐波治理；无功补偿
一、有源电力滤波器在建筑电气中应用的重要性
近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全，经济运行造成了极大的影响，而另一方面供电方及其电力系统设备，用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。
二、谐波产生的原因
在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
所有的非线性负荷都能产生谐波电流。现代建筑中谐波主要来自两方面：一是大量非线性负荷形成的谐波源，例如计算机系统、开关电源、电子式荧光整流器、调光器、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备、家用电器等导致配电系统的电压、电流发生畸变，产生谐波；二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，由公用电网侧传输至配电系统。
三、谐波对建筑电气的影响及危害
现代建筑中产生的谐波电压和谐波电流，对配电系统是一种污染，不但使楼宇中的电气设备与电子设备及楼宇智能化系统用电环境恶化，并对周围的通信系统甚至配电系统以外的设备造成危害。现代建筑电能质量问题中最严重的是谐波干扰问题。现代建筑中大量电力电子装置在使用中产生的谐波电流如果不加治理直接注入电网，将使供电变压器低压侧谐波电压升高，低压侧负荷由于相互干扰而无法正常工作，另一方面谐波电压通过供电变压器传递到高压侧从而干扰其他用户。
谐波对现代建筑用电设备的危害主要有以下几个方面：
（1 ）使电动机产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声。谐波电流使变压器线圈发热，加速绝缘老化，寿命缩短，引起损耗增加和噪声。
（2 ）谐波会对断路器、漏电保护器、熔断器、继电器等保护、自动控制装置产生干扰，造成误动或拒动。
（3 ）使照明设施的寿命缩短。
（4 ）电压表、电流表、电能表等仪器受谐波影响造成测量误差。
（5 ）对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰。特别是会引起通信系统的噪声，降低语言或图像的清晰度，严重时会引起信息丢失，使系统无法正常工作；在电力线载波通信的系统中，由于谐波的影响，造成系统误动作，甚至无法运行。
（6 ）谐波容易引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生串／并联谐振。
（7 ）谐波电流使配电线路损耗增大，输电能力降低。特别是三相配电系统中，主要以3 次谐波形成的零序电流，在中性线上相互叠加导致中性线电流过大，甚至超过相电流，引起线路、变压器过载和电压畸变，因电流过大而损坏线路和设备乃至引发火灾事故。
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（8 ）谐波对电子设备的不良影响主要有：对过零检测以基波频率为基准的电子设备，因谐波的影响造成过零误动作；电压突变造成电子设备损坏或误动作；谐波影响计算机程序正常运行，使数据丢失，甚至损坏硬件；谐波会引起楼宇自动化、消防报警、办公自动化、安全防范等系统的电子装置误动作，甚至无法工作。
四、谐波治理的主要措施
1、采用无源滤波器
采用无源滤波器是传统的抑制谐波的方法。无源滤波器包括一组以串联方式连接的电抗器与电容器。此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时会被烧损。另外，可能造成功率因数过补偿，同时无源滤波器不能受控。因此，随着时间的改变以及配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，使滤波效果下降。更重要的是，无源滤波器只可以过滤一种谐波成分。如果过滤不同的频率，则要分别采用不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。
2、采用有源滤波器
并联型有源滤波器实质上是一个受控的、快速反应的谐波电流源，与非线性负荷并联，自动检测非线性负荷产生的谐波电流。DSP 产生的控制信号控制IGBT 高速开关器件，经过输出电抗器，输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，起到补偿谐波的作用，其结果是系统只向负荷提供基波电流。
3、采用混合型滤波器
可将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用。其中，无源滤波器由3、5、7、9 次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8 个IGBT、直流电容及滤波电感构成。直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并人电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。
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。
五、有源电力滤波器的工作原理
有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网中的谐波。它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。
六、结语
随着现代建筑的智能化，复杂化，对电能质量的要求越来越高，谐波的研究和治理问题也开始引起广泛关注。有效的抑制谐波已经成为保证电网安全、高质量运行的必要措施之一。有源电力滤波器作为一种新型的谐波及无功电流动态补偿装置，具有响应速度快、补偿效果好、动态补偿等优点，在现代建筑电气设计中，利用会越来越广泛。
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论文作者:张俊华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：谐波论文; 滤波器论文; 电流论文; 无源论文; 电网论文; 电压论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第5期论文;