智能小區(qū)利用現(xiàn)代4C(即計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、自控、IC卡)技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元化信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，在實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境的同時(shí)也對配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出更高的要求①。
1.引言
近年來，智能建筑技術(shù)有了新的發(fā)展，人們把智能建筑技術(shù)擴(kuò)展到一個(gè)區(qū)域的幾座智能建筑進(jìn)行綜合管理，再分層次地聯(lián)接起來進(jìn)行統(tǒng)一管理，這樣的區(qū)域稱為智能小區(qū)。住宅小區(qū)智能化是目前國內(nèi)、外住宅建設(shè)領(lǐng)域和信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域非常熱門而又前沿的話題，也是能否實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)信息化的關(guān)鍵問題之一。
智能小區(qū)利用現(xiàn)代4C(即計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、自控、IC卡)技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元化信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，在實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境的同時(shí)也對配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提出更高的要求①。
2.智能小區(qū)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題
2.1.無功功率問題
在智能小區(qū)的配電系統(tǒng)中使用了大量的感性負(fù)載，感性負(fù)載(如日光燈、水泵等)在運(yùn)行過程中需要消耗大量的無功功率，造成配電系統(tǒng)產(chǎn)生如下問題：
(1)降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。
(2)降低輸、變電設(shè)備的供電能力。
(3)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。
(4)造成低功率因數(shù)運(yùn)行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。
2.2.諧波問題
造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生諧波的設(shè)備和負(fù)荷稱為諧波源。一切非線性的設(shè)備和負(fù)荷都是諧波源。現(xiàn)代智能建筑中諧波主要來自于兩方面,一是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波,由網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng);二是大量非線性負(fù)荷形成的諧波源(如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電子設(shè)備、自動(dòng)控制裝置、開關(guān)電源、電子式熒光整流器、家用電器等)導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變,產(chǎn)生諧波。
家用電器單個(gè)容量不大，但數(shù)量很大且散布于各處，其所產(chǎn)生的諧波造成的污染不容忽視，一般家用電器所產(chǎn)生的高次諧波電流含量如下表所示。隨著家用電器的發(fā)展，其產(chǎn)生的諧波污染已日益成為不可忽視的問題。②
表一、常用家用電器所產(chǎn)生的諧波電流含量(%)
當(dāng)電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備及負(fù)荷供電時(shí)，這些設(shè)備或負(fù)荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所供給的基波能量的同時(shí)，又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向系統(tǒng)倒送入大量的高次諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形畸變，電能質(zhì)量降低，損壞系統(tǒng)設(shè)備。威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，增加電力系統(tǒng)的功率損耗等，給系統(tǒng)帶來危害。
諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致歸納為以下幾個(gè)方面：
(1)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備
的效率，大量的3次諧波流過中性線時(shí)會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波會使電容器、
電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。
(3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這
使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
(4)諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。
(5)諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)
生噪聲，降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
3.諧波和無功的抑制方法
3.1諧波抑制
諧波電流已經(jīng)對電力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重危害，必須采取有效的治理
措施。就目前的情況而言，解決電力電子裝置諧波問題的主要方法可以分為以下
兩大類：
一種是主動(dòng)型諧波抑制方案:即對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進(jìn)行控制。主動(dòng)型諧波抑制方案常用的方法包括增加整流器的相數(shù)、使用脈寬調(diào)制法，采用多電平變流技術(shù)和加裝功率因數(shù)預(yù)調(diào)整器等，這種方法能從根源上解決諧波問題，濾波效果好。
主動(dòng)型諧波抑制方案僅適用于電力電子設(shè)備類諧波源。其主要問題還在于成本高、效率低，并可能影響設(shè)備的可靠性。同時(shí)，電力電子系統(tǒng)中高功率因數(shù)整流器的高頻率PWM載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)和輻射干擾.
因此在設(shè)計(jì)主動(dòng)型諧波抑制方案時(shí)，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統(tǒng)中濾除，防止它們作為傳導(dǎo)干擾進(jìn)入電網(wǎng)，還要利用屏蔽防止它們作為輻射干擾進(jìn)入自由空間，對空間產(chǎn)生電磁污染。
另一種是被動(dòng)型諧波抑制方案:即諧波負(fù)載本身不加改變，而是在電力系統(tǒng)或諧波負(fù)載的交流側(cè)加裝無源濾波器、有源電力濾波器等裝置，通過外加設(shè)備對電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償，但是無源濾波器濾除效果差，并且只能針對單獨(dú)某一次進(jìn)行濾除，所以行業(yè)內(nèi)大多選用有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償。
3.2無功補(bǔ)償技術(shù)
無功補(bǔ)償裝置采用電容器串聯(lián)一定電抗率的電抗器進(jìn)行安全補(bǔ)償，既能補(bǔ)償無功功率，同時(shí)能抑制諧波被放大，是目前無功補(bǔ)償?shù)闹饕夹g(shù)。
4.動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置的工作原理
動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置基于最先進(jìn)的柔性輸配電技術(shù)開發(fā)的創(chuàng)新一代產(chǎn)品，將有源濾波與無源濾波補(bǔ)償技術(shù)有機(jī)結(jié)合，突破傳統(tǒng)應(yīng)用，在有效降低成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最佳的濾波補(bǔ)償效果。裝置的工作原理分為兩個(gè)部分，即無功補(bǔ)償裝置的工作原理和有源濾波器的工作原理，具體如下所述：
4.1無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償原理
無功補(bǔ)償裝置采用電容器串聯(lián)電抗器的方式，使其在一定頻率下形成低阻抗回路，通過自動(dòng)功率因數(shù)控制器控制電容器單元投切，從而達(dá)到無功補(bǔ)償和抑制諧波被放大的功能，根據(jù)諧波階次不同，可分為抑制三次諧波(電抗率為12%~14%)和抑制五次諧波(6%~7%)兩種形式;根據(jù)投切單元不同可分為接觸器投切(靜態(tài)補(bǔ)償)和晶閘管投切(動(dòng)態(tài)補(bǔ)償)。由于智能小區(qū)中使用的負(fù)載多為單相設(shè)備，而單相設(shè)備會產(chǎn)生三次諧波，因此在智能小區(qū)中通常抑制三次諧波的電抗器來進(jìn)行無功補(bǔ)償。
4.2有源濾波器濾波原理
有源濾波器，采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。是目前諧波治理行業(yè)主要設(shè)備。其主要技術(shù)優(yōu)勢如下：
1.雙向調(diào)節(jié)功率因數(shù)
2.強(qiáng)大的濾波功能，可以濾除系統(tǒng)中2~50階次諧波
3.可濾除中性線上諧波
4.良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，其響應(yīng)時(shí)間為300微秒
5.動(dòng)態(tài)分相補(bǔ)償諧波，可以改善系統(tǒng)的三相不平衡現(xiàn)場
動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置將安全補(bǔ)償和有源濾波裝置進(jìn)行完美結(jié)合,通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)二者之間的工作邏輯，實(shí)現(xiàn)在無功補(bǔ)償和有源濾波器的雙重功能，與原有的補(bǔ)償裝置和有源濾波器同時(shí)安裝相比其優(yōu)勢如下：
1.控制方式靈活
將有源濾波與無源濾波補(bǔ)償技術(shù)互補(bǔ)，用一個(gè)控制器來靈活設(shè)置無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)范圍及濾除諧波的容量;自動(dòng)跟蹤負(fù)荷變化，分相無極輸出容性或感性無功電流
2.響應(yīng)速度快，補(bǔ)償精度高
利用有源單元可以產(chǎn)生雙向無功電流的特性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出晶閘管投切速度的極速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償;并且可實(shí)現(xiàn)分相無極調(diào)節(jié)。
3.較高的性價(jià)比
無源濾波裝置能濾除一定的諧波及補(bǔ)償無功，有源裝置不僅具有動(dòng)態(tài)諧波濾除功能，還具有快速分相無功補(bǔ)償功能，在保證濾波效果的同時(shí)，有效降低有源濾波單元的容量
4.工業(yè)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
將有源濾波和無源濾波集成在一個(gè)柜內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、裝置效率高且自身功耗低
5.智能監(jiān)控
大屏幕HMI人機(jī)界面、工作狀態(tài)一目了然，故障自動(dòng)診斷;具備遠(yuǎn)程通訊接口，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控
5.動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置應(yīng)用案例
某智能建筑(采用三A控制既設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng))中使用大量自動(dòng)化設(shè)備，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)需要高質(zhì)量的電源，采用動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行濾波補(bǔ)償。運(yùn)行效果如下：
圖1.裝置未投入系統(tǒng)電壓電流波形圖
圖2裝置未投入系統(tǒng)電流頻譜圖
圖3.裝置投入后系統(tǒng)電壓電流波形圖
圖4.裝置投入后系統(tǒng)電流頻譜圖
表1.LSVG投入前后系統(tǒng)諧波數(shù)據(jù)
表2.LSVG投入前后系統(tǒng)功率數(shù)據(jù)
6.結(jié)束語
智能小區(qū)的配電系統(tǒng)中由于負(fù)載及電網(wǎng)中的諧波影響，造成其電能質(zhì)量惡劣，而在智能小區(qū)中普遍使用的自動(dòng)控制系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求卻較高，因此采用合理的諧波治理設(shè)備是保證智能設(shè)備正常運(yùn)行的良好保證，動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置(LSVG)將有源濾波和無源濾波完美的結(jié)合在一起，在提供無功補(bǔ)償、諧波治理的同時(shí)降低設(shè)備投入成本，而且其平滑無極調(diào)節(jié)功率因數(shù)特性，更是符合小區(qū)用電的峰谷特點(diǎn)，是智能小區(qū)改善電能質(zhì)量的最佳設(shè)備。