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有源電力濾波器在劇場中的應用
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關鍵詞 劇場 諧波 可控硅調光裝置 有源電力濾波器
1 概述
在理想情況下， 電力供應應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為不同程度的非正弦波形， 即產生諧波。供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工頻50 Hz ) 整數倍的正弦波分量， 又稱為高次諧波。在供電系統中， 產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， 導致供電系統的電壓、電流波形畸變， 使電能質量變差。因此， 諧波是衡量電能質量的重要指標之一。
民用建筑電氣設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、電子調速裝置、軟啟動設備等。劇場電氣設備中也存在大量的諧波源， 尤其是舞臺燈光的可控硅調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中所有的電氣、電子設備正常、和諧的工作， 必須采取有效的措施， 抑制并防止電網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光設備、帶電子鎮器的熒光燈、變頻空調等。根據劇場非線性負荷的容量及占用系統電源的比例， 舞臺調光設備屬于劇場電氣主要的非線性負荷。這些調光設備造成的諧波污染不僅影響劇場配電系統電能質量， 還可能造成系統其它用電設備故障。因此在電氣設計階段應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光器實質上就是一個單相的相位控制交流調壓器。舞臺調光技術在經歷了電阻型調光、變壓器式調光、磁放大器型調光階段后，發展為現在的用可控硅調光和計算機控制的現代化調光設備。可控硅調光器是目前舞臺上的主流調光器。
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脈沖， 使可控硅導通， 這一導通將維持到正弦波正半周結束。因此在正弦波的正半周(即0 ～ p 區間)， 0 ～ ωt 1范圍可控硅不導通， 這一范圍稱為控制角; 而在ωt 1 ～ p 間可
控硅導通， 這一范圍稱為導通角。同理在正弦交流電壓的負半周， 對處于反向聯接的另一個可控硅(對兩個單向可控硅反并聯而言) 在t2時刻(即相位角ωt 2 ) 施加觸發脈沖， 使其導通。如此周而復始， 對正弦波的每一半周期控制其導通， 獲得相同的導通角。如改變觸發脈沖的施加時間(或相位)， 即改變了導通角(或控制角) 的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高， 燈就越亮。
由以上分析可知， 可控硅調光設備吸收的不再是正弦電流， 因此會造成調光設備的輸入電流畸變為周期性的非正弦電流波形。對該周期性非正弦電流進行傅里葉級數分解， 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倍的高次諧波電流。這些高次諧波通過導線傳導到其它負荷， 同時由于系統中諧波阻抗的存在， 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諧波污染， 使電力系統的發、輸、配電設備出現許多異常現象和故障。諧波的危害是多方面的， 就劇場電氣系統而言， 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， 使配電系統中性線出現過負荷， 從而引起絕緣老化加速， 增加了火災隱患。
保護繼電器在諧波影響下產生誤動或拒動， 將嚴重威脅供配電系統的穩定與安全運行。隨著諧波頻率的上升， 電纜導體集膚效應越發明顯， 導致導體的交流電阻增大， 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、系統母線及線路感抗與系統串聯， 提高功率因數用的電力電容器及線路的容抗與系統并聯， 在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。
2. 2. 2 諧波對電力設備的危害
當電網存在諧波時， 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畸變的電網中時， 還可能使電網的諧
波加劇， 即產生諧波放大現象。
諧波使電力變壓器的銅耗增大， 包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導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， 降低了變壓器的設備利用率。因此設計階段在選擇變壓器額定容量時需要考慮電網中的諧波含量， 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，導體的集膚效應與銅耗增加而引起發熱， 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 諧波對弱電系統設備的干擾
對于計算機網絡、通信、有線電視、火災自動報警系統， 以及樓宇自動化系統等弱電設備， 電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中， 產生干擾。其中電磁感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比， 通過公共接地耦合的傳導， 干擾弱電系統。
3 劇場電氣諧波治理措施分析
目前， 國內有采用提高變壓器質量及容量、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， 增加了供電系統隱患。
為有效抑制諧波， 在劇場電氣設計中， 可采用的方法主要有： 合理設計配電線路、適當的變壓器接線方式、合理布線、裝設濾波裝置等。其中配電線路設計、變壓器接線方式及布線方式可參照《劇場建筑設計規范》(JGJ 57 - 2000)、《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16 - 2008) 等。下面將詳細分析裝設濾波裝置的方法。
濾波裝置分為無源濾波裝置和有源濾波裝置， 裝設在調光設備回路上。
3. 1 無源濾波裝置
目前劇場配電系統諧波治理大多采用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的功能。然而， 由于調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光設備的劇場， 由于可控硅調光器在工作時產生的諧波量及諧波頻譜隨導通角變化而變化， 而LC 無源濾波器無法滿足變化諧波的治理要求， 裝設并聯型有源電力濾波器(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， 該信號經補償電流發生電路放大， 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諧波的治理， 圖中所示為只濾除5 次諧波)。并聯型有源濾波器實質上是一個受控的快速反應的諧波電流源， 與非線性負荷并聯， 自動檢測非線性負荷產生的諧波電流。經DSP (數字信號處理器) 產生的控制信號控制IGBT (絕緣柵極雙極晶體管) 高速開關器件， 經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。其結果是系統只向負荷提供基波電流。與其它濾波技術相比， 有源電力濾波器具有以下優勢：
a . 動態濾波， 能適應變化的諧波負荷。
b . 響應速度快， 一般在幾十μs 內響應負荷變化， 對沖擊變化的諧波全補償響應時間在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。
d . 可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器供電系統進行補償， 安裝位置靈活多樣。
e . 內部保護安全可靠， 不因諧波過負荷而退出運行， 擴展容易。
f . 不受系統阻抗影響， 不會發生諧振。
3. 2. 2 有源電力濾波裝置的安裝位置
在設計有源濾波裝置時， 需要根據劇場配電系統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。
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。
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， 可以完全實現根據設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優勢， 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廠家也在不斷增加。本文主要介紹施耐德電氣公司生產的有源電力濾波器AccuSine 的產品原理， 其技術原理與市場上絕大部分并聯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 有源濾波裝置并聯于電網系統中， 通過外部互感器CTe實時采集電流信號， 通過內部檢測電路分離出其中的諧波部分， 由IGBT 逆變產生與系統中的諧波大小相等、方向相反的補償電流并注入系統， 從而將電源側電流補償為正弦波， 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系統的諧波量動態變化的， 因此不會出現過補償的問題。另外，AccuSine 內部有過負荷保護功能， 當系統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設置進行無功補償。其輸出的無功補償電流是根據系統無功容量需求動態變化的， 不會出現過補償， 且柔性的無功補償不會產生涌流沖擊。
4. 2 AccuSine 有源電力濾波器內部控制原理
如圖6 所示， 斷路器合閘后， AccuSine 首先通過預充電電阻對DC 母線的電容器充電。這個過程會持續數秒鐘， 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， 將諧波成分送至調節和監測模塊。該模塊會將采集到的系統諧波成分和AccuSine 已發出的補償電流比較， 得到差值作為實時補償信號輸出到驅動電路， 觸發IGBT 逆變器將補償諧波電流注入到電網中， 實現濾除諧波的功能。
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 應用于三相對稱系統時， 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。
當系統擴展或非線性負荷增加， 原有濾波裝置容量不能滿足系統需求時， AccuSine 可方便地實現并聯， 見圖9。多臺濾波器并聯時， 無需增加測量CT。
5 AccuSine 有源電力濾波器在劇場中的應用
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光設備回路的電流波形圖。從該圖中可知， 可控硅調光設備在投入使用后使電流波形產生嚴重畸變， 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 安裝于舞臺調光設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 有源電力濾波器產品特性。
6 結束語
劇場電氣系統中除了具有一般建筑配電系統的諧波源之外， 還具有一些特有的諧波源。舞臺調光設備為大型劇場的主要諧波源負荷， 可控硅調光系統是目前劇場舞臺上的主流調光器， 在運行過程中會產生大量的3 次諧波及高次諧波， 且諧波頻譜隨導通角改變而發生相應變化， 造成配電系統的電力設備效率低下、燈光頻閃、中性線過負荷發熱， 并對通信等弱電回路產生干擾。裝設并聯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， 并能實現諧波頻譜變化時的動態濾波。AccuSine 有源電力濾波器在實際應用中取得了良好的濾波效果。