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有源電力濾波器在劇場中的應(yīng)用
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關(guān)鍵詞 劇場 諧波 可控硅調(diào)光裝置 有源電力濾波器
1 概述
在理想情況下， 電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓。但實際上， 供電電壓的波形往往由于某些原因而畸變?yōu)椴煌潭鹊姆钦也ㄐ危?即產(chǎn)生諧波。供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工頻50 Hz ) 整數(shù)倍的正弦波分量， 又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中， 產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備(又稱為非線性負荷)供電。這些非線性負荷在工作時向電源注入高次諧波， 導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變， 使電能質(zhì)量變差。因此， 諧波是衡量電能質(zhì)量的重要指標之一。
民用建筑電氣設(shè)備中存在著眾多的非線性阻抗特性的諧波源負荷， 如： 熒光燈、氣體放電燈、計算機、UPS、電子調(diào)速裝置、軟啟動設(shè)備等。劇場電氣設(shè)備中也存在大量的諧波源， 尤其是舞臺燈光的可控硅調(diào)光裝置引起的電流波形畸變， 使諧波問題尤為嚴重。為保證劇場供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設(shè)備正常、和諧的工作， 必須采取有效的措施， 抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴重后果。
2 劇場電氣諧波特性分析及諧波危害
2. 1 劇場電氣主要諧波特性分析
劇場非線性負荷包括舞臺調(diào)光設(shè)備、帶電子鎮(zhèn)器的熒光燈、變頻空調(diào)等。根據(jù)劇場非線性負荷的容量及占用系統(tǒng)電源的比例， 舞臺調(diào)光設(shè)備屬于劇場電氣主要的非線性負荷。這些調(diào)光設(shè)備造成的諧波污染不僅影響劇場配電系統(tǒng)電能質(zhì)量， 還可能造成系統(tǒng)其它用電設(shè)備故障。因此在電氣設(shè)計階段應(yīng)該著重考慮諧波的影響并采取合理的治理措施。
舞臺燈光用的各種調(diào)光器實質(zhì)上就是一個單相的相位控制交流調(diào)壓器。舞臺調(diào)光技術(shù)在經(jīng)歷了電阻型調(diào)光、變壓器式調(diào)光、磁放大器型調(diào)光階段后，發(fā)展為現(xiàn)在的用可控硅調(diào)光和計算機控制的現(xiàn)代化調(diào)光設(shè)備?？煽毓枵{(diào)光器是目前舞臺上的主流調(diào)光器。
正弦交流電壓過零后的某一時刻t1 (或某一相位角ωt 1)， 在可控硅的門極上加一觸發(fā)脈沖， 使可控硅導(dǎo)通， 這一導(dǎo)通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此在正弦波的正半周(即0 ～ p 區(qū)間)， 0 ～ ωt 1范圍可控硅不導(dǎo)通， 這一范圍稱為控制角; 而在ωt 1 ～ p 間可
控硅導(dǎo)通， 這一范圍稱為導(dǎo)通角。同理在正弦交流電壓的負半周， 對處于反向聯(lián)接的另一個可控硅(對兩個單向可控硅反并聯(lián)而言) 在t2時刻(即相位角ωt 2 ) 施加觸發(fā)脈沖， 使其導(dǎo)通。如此周而復(fù)始， 對正弦波的每一半周期控制其導(dǎo)通， 獲得相同的導(dǎo)通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時間(或相位)， 即改變了導(dǎo)通角(或控制角) 的大小。導(dǎo)通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高， 燈就越亮。
由以上分析可知， 可控硅調(diào)光設(shè)備吸收的不再是正弦電流， 因此會造成調(diào)光設(shè)備的輸入電流畸變?yōu)橹芷谛缘姆钦译娏鞑ㄐ巍υ撝芷谛苑钦译娏鬟M行傅里葉級數(shù)分解， 可得出電流中除含有與電源相同頻率的基波成分外， 還含有一系列頻率為電源頻率奇數(shù)倍的高次諧波電流。這些高次諧波通過導(dǎo)線傳導(dǎo)到其它負荷， 同時由于系統(tǒng)中諧波阻抗的存在， 這些高次諧波電流還會引起電源電壓波形畸變。
2. 2 劇場諧波危害
電源電壓波形畸變造成電網(wǎng)諧波污染， 使電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配電設(shè)備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障。諧波的危害是多方面的， 就劇場電氣系統(tǒng)而言， 主要有以下幾個方面。
2. 2. 1 諧波對供配電線路的危害
三相四線配電線路中， 相線上3 的整數(shù)倍次諧波(零序諧波) 在中性線上會疊加， 使中性線的電流值可能超過相線上的電流值。由于中性線電流過大， 使配電系統(tǒng)中性線出現(xiàn)過負荷， 從而引起絕緣老化加速， 增加了火災(zāi)隱患。
保護繼電器在諧波影響下產(chǎn)生誤動或拒動， 將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。隨著諧波頻率的上升， 電纜導(dǎo)體集膚效應(yīng)越發(fā)明顯， 導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大， 使得電纜的允許載流量減小， 增加輸電線路的附加損耗。另外， 電纜的電阻、系統(tǒng)母線及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)， 提高功率因數(shù)用的電力電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)， 在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。
2. 2. 2 諧波對電力設(shè)備的危害
當電網(wǎng)存在諧波時， 投入電力電容器后其端電壓增大。通過電容器的電流增加得更大， 使電容器損耗功率增加， 加速絕緣介質(zhì)老化。在諧波嚴重的情況下， 還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。尤其是電容器投入到電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時， 還可能使電網(wǎng)的諧
波加劇， 即產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象。
諧波使電力變壓器的銅耗增大， 包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大， 主要表現(xiàn)在鐵芯中的磁滯損耗增加。由于以上兩方面的損耗增加， 降低了變壓器的設(shè)備利用率。因此設(shè)計階段在選擇變壓器額定容量時需要考慮電網(wǎng)中的諧波含量， 適當放大變壓器容量。
對于配電用斷路器來說， 受諧波電流的影響，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)與銅耗增加而引起發(fā)熱， 使得額定電流降低與脫扣電流降低， 可能因諧波而誤動作。
2. 2. 3 諧波對弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾
對于計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)， 以及樓宇自動化系統(tǒng)等弱電設(shè)備， 電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中， 產(chǎn)生干擾。其中電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強度與干擾頻率成正比， 通過公共接地耦合的傳導(dǎo)， 干擾弱電系統(tǒng)。
3 劇場電氣諧波治理措施分析
目前， 國內(nèi)有采用提高變壓器質(zhì)量及容量、增大電纜截面積(特別是加大中性線電纜截面積)、選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件的方法減小諧波的影響， 這些方法并不能從根本上消除諧波， 反而降低了保護特性與功能， 加大了投資成本， 增加了供電系統(tǒng)隱患。
為有效抑制諧波， 在劇場電氣設(shè)計中， 可采用的方法主要有： 合理設(shè)計配電線路、適當?shù)淖儔浩鹘泳€方式、合理布線、裝設(shè)濾波裝置等。其中配電線路設(shè)計、變壓器接線方式及布線方式可參照《劇場建筑設(shè)計規(guī)范》(JGJ 57 - 2000)、《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(JGJ 16 - 2008) 等。下面將詳細分析裝設(shè)濾波裝置的方法。
濾波裝置分為無源濾波裝置和有源濾波裝置， 裝設(shè)在調(diào)光設(shè)備回路上。
3. 1 無源濾波裝置
目前劇場配電系統(tǒng)諧波治理大多采用LC 無源濾波器。它在吸收高次諧波的同時， 還具有改善功率因數(shù)的功能。然而， 由于調(diào)諧偏移及濾波器阻抗的存在， 大大妨礙了濾波效果。而且， 對于不同頻率的諧波， 需分別設(shè)置多個LC 濾波支路， 彼此相互干擾，可能顧此失彼。尤其在大量使用可控硅調(diào)光設(shè)備的劇場， 由于可控硅調(diào)光器在工作時產(chǎn)生的諧波量及諧波頻譜隨導(dǎo)通角變化而變化， 而LC 無源濾波器無法滿足變化諧波的治理要求， 裝設(shè)并聯(lián)型有源電力濾波器(APF ) 可彌補這些不足。
3. 2 有源濾波裝置
有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置， 它能對大小和頻率都在變化的諧波， 以及變化的無功進行補償。
3. 2. 1 有源電力濾波器的基本工作原理
有源電力濾波裝置的基本工作原理如下： 檢測補償對象的電壓和電流， 經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號， 該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大， 得出補償電流， 補償電流與負荷電流中的諧波及無功電流抵消， 最終得到期望的電源電流。有源電力濾波器工作原理如圖1 所示(只針對某一特定次數(shù)諧波的治理， 圖中所示為只濾除5 次諧波)。并聯(lián)型有源濾波器實質(zhì)上是一個受控的快速反應(yīng)的諧波電流源， 與非線性負荷并聯(lián)， 自動檢測非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流。經(jīng)DSP (數(shù)字信號處理器) 產(chǎn)生的控制信號控制IGBT (絕緣柵極雙極晶體管) 高速開關(guān)器件， 經(jīng)過輸出電抗器輸出與負荷諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流， 起到補償諧波的作用。其結(jié)果是系統(tǒng)只向負荷提供基波電流。與其它濾波技術(shù)相比， 有源電力濾波器具有以下優(yōu)勢：
a . 動態(tài)濾波， 能適應(yīng)變化的諧波負荷。
b . 響應(yīng)速度快， 一般在幾十μs 內(nèi)響應(yīng)負荷變化， 對沖擊變化的諧波全補償響應(yīng)時間在10 ～ 60 ms(主要取決于諧波檢測模式)。
c . 選型時只需考慮諧波電流大小， 而與負荷類型無關(guān)。
d . 可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器供電系統(tǒng)進行補償， 安裝位置靈活多樣。
e . 內(nèi)部保護安全可靠， 不因諧波過負荷而退出運行， 擴展容易。
f . 不受系統(tǒng)阻抗影響， 不會發(fā)生諧振。
3. 2. 2 有源電力濾波裝置的安裝位置
在設(shè)計有源濾波裝置時， 需要根據(jù)劇場配電系統(tǒng)和負荷情況的不同選擇合適的安裝位置。安裝位置通常情況下有三種選擇方式：
a . 集中治理方式見圖2 。
集中治理方式可對所有低壓非線性負荷實現(xiàn)濾波。適用于非線性負荷較為分散、單個負荷容量較小的場合。濾波裝置安裝于低壓配電室內(nèi)。
b . 分組治理方式見圖3 。
分組治理方式中有源電力濾波器安裝于二級低壓配電盤， 適用于非線性負荷相對集中的場合。
c. 就地治理方式見圖4 。
就地治理方式適用于單個非線性負荷產(chǎn)生較大諧波畸變且分布相對分散的場合， 有源電力濾波器安裝在該非線性負荷側(cè)。
有源濾波器的安裝與諧波源越近， 濾波效果越好， 這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。由于有源電力濾波器安裝位置的靈活性， 可以完全實現(xiàn)根據(jù)設(shè)計需要達到最佳的諧波治理效果。
4 Schneider 有源電力濾波器簡介
由于有源電力濾波器明顯的技術(shù)優(yōu)勢， 市場需求也在不斷擴大， 能提供有源電力濾波器的電氣生產(chǎn)廠家也在不斷增加。本文主要介紹施耐德電氣公司生產(chǎn)的有源電力濾波器AccuSine 的產(chǎn)品原理， 其技術(shù)原理與市場上絕大部分并聯(lián)型有源電力濾波器相同。
4. 1 AccuSine 有源電力濾波器工作原理
AccuSine 有源濾波裝置并聯(lián)于電網(wǎng)系統(tǒng)中， 通過外部互感器CTe實時采集電流信號， 通過內(nèi)部檢測電路分離出其中的諧波部分， 由IGBT 逆變產(chǎn)生與系統(tǒng)中的諧波大小相等、方向相反的補償電流并注入系統(tǒng)， 從而將電源側(cè)電流補償為正弦波， 達到濾除諧波的目的。其工作原理見圖5 。
AccuSine 的輸出補償電流是根據(jù)系統(tǒng)的諧波量動態(tài)變化的， 因此不會出現(xiàn)過補償?shù)膯栴}。另外，AccuSine 內(nèi)部有過負荷保護功能， 當系統(tǒng)的諧波量大于濾波器容量時， AccuSine 可以自動限制在100% 額定容量輸出， 不會發(fā)生濾波器過負荷。
AccuSine 有源電力濾波器在濾波的同時可通過參數(shù)設(shè)置進行無功補償。其輸出的無功補償電流是根據(jù)系統(tǒng)無功容量需求動態(tài)變化的， 不會出現(xiàn)過補償， 且柔性的無功補償不會產(chǎn)生涌流沖擊。
4. 2 AccuSine 有源電力濾波器內(nèi)部控制原理
如圖6 所示， 斷路器合閘后， AccuSine 首先通過預(yù)充電電阻對DC 母線的電容器充電。這個過程會持續(xù)數(shù)秒鐘， 以防止通電后DC 母線電容器的瞬間沖擊。當母線電壓Udc達到額定值后， 預(yù)充電接觸器閉合直流電容作為儲能元件， 為通過IGBT 逆變器和內(nèi)部電抗器向外輸出補償電流提供能量。同時， 直流電容器通過電源電路向內(nèi)部的控制電路和電子電路提供工作電源。
AccuSine 通過外部CTe采集電流信號送至控制電路的諧波分離模塊， 該模塊將基波成分分離， 將諧波成分送至調(diào)節(jié)和監(jiān)測模塊。該模塊會將采集到的系統(tǒng)諧波成分和AccuSine 已發(fā)出的補償電流比較， 得到差值作為實時補償信號輸出到驅(qū)動電路， 觸發(fā)IGBT 逆變器將補償諧波電流注入到電網(wǎng)中， 實現(xiàn)濾除諧波的功能。
4. 3 AccuSine 有源電力濾波器接線方式
AccuSine 包括AccuSine / 3L 和AccuSine / 4L 兩個系列產(chǎn)品。圖7 為AccuSine / 3L 安裝接線圖， 圖8 為AccuSine / 4L 安裝接線圖。
由圖7、圖8 可知， AccuSine / 3L 應(yīng)用于三相對稱系統(tǒng)時， 只需安裝兩相CT， 可有效濾除相線諧波電流; AccuSine / 4L 還可有效濾除中性線諧波電流， 其中性線濾波能力為相線濾波能力的3 倍。如AccuSine / 4L - 90 A， 可有效濾除相線諧波電流90 A，濾除中性線諧波電流270 A。
當系統(tǒng)擴展或非線性負荷增加， 原有濾波裝置容量不能滿足系統(tǒng)需求時， AccuSine 可方便地實現(xiàn)并聯(lián)， 見圖9。多臺濾波器并聯(lián)時， 無需增加測量CT。
5 AccuSine 有源電力濾波器在劇場中的應(yīng)用
圖10 為× × 劇場在未采取諧波治理措施時， 由FLUK 435 檢測裝置捕捉到的舞臺調(diào)光設(shè)備回路的電流波形圖。從該圖中可知， 可控硅調(diào)光設(shè)備在投入使用后使電流波形產(chǎn)生嚴重畸變， 且中性線諧波電流較大。對該電流波形做進一步諧波頻譜分析， 得到諧波頻譜特性， 見圖11。由圖11 可知， 電流總諧波畸變率即THDI高達65.3%。其中， 3 次諧波電流畸變率在50% 以上。由于3 次諧波為零序諧波， 在中性線上疊加， 使中性線電流增大， 將引起中性線絕緣加速老化， 故治理諧波時需考慮在濾除相線諧波電流的同時， 濾除中性線上的諧波電流。
AccuSine / 4L 安裝于舞臺調(diào)光設(shè)備回路并投入使用后， 電流波形如圖12 所示。相線電流波形接近正弦波， 中性線電流大幅度降低， 取得了良好的濾波效果。
下表為AccuSine / 4L 有源電力濾波器產(chǎn)品特性。
6 結(jié)束語
劇場電氣系統(tǒng)中除了具有一般建筑配電系統(tǒng)的諧波源之外， 還具有一些特有的諧波源。舞臺調(diào)光設(shè)備為大型劇場的主要諧波源負荷， 可控硅調(diào)光系統(tǒng)是目前劇場舞臺上的主流調(diào)光器， 在運行過程中會產(chǎn)生大量的3 次諧波及高次諧波， 且諧波頻譜隨導(dǎo)通角改變而發(fā)生相應(yīng)變化， 造成配電系統(tǒng)的電力設(shè)備效率低下、燈光頻閃、中性線過負荷發(fā)熱， 并對通信等弱電回路產(chǎn)生干擾。裝設(shè)并聯(lián)型有源電力濾波裝置可以有效濾除相線及中性線上的諧波電流， 并能實現(xiàn)諧波頻譜變化時的動態(tài)濾波。AccuSine 有源電力濾波器在實際應(yīng)用中取得了良好的濾波效果。