【学术】文化艺术中心大剧院电能质量分析及其治理

山东华天电气有限公司的研究人员王建、迟恩先等,在2014年《电气技术》杂志增刊上撰文,介绍文化艺术中心大剧院配电情况,主要的负荷特性,电能质量问题分析,提出解决方案,并以具体应用实例进行验证,消除系统存在的问题,营造一个良好的供用电环境。提高整个配电系统的稳定性。

山东省会文化艺术中心作为“十艺节”的主场馆,包括大剧院、图书馆、美术馆、群众艺术馆以及剧团、书城、影城等文化事业和文化产业配套项目。

其中大剧院大约7.5万平方米,包含1500座音乐厅、1800座的歌剧厅、500座的多功能厅及排练厅和其它辅助设施,是一座多种表演艺术形式演出的综合性文化艺术中心。建筑智能化、自动化程度高,特别在演出时人员密度高场所,对于用电的安全性要求高。

大剧院建筑内主要用电设备,以单相设备为主,包括音响、灯光、空调、照明灯、UPS电源等,非线性负荷集中,工作时产生大量的谐波电流,相控整流设备负载功率因数低,在整个配电系统及变压器产生大量的谐波及无功损耗,导致配电系统过热,造成火灾事故等安全隐患,降低了系统的安全运行

1、大剧院配电负载特性及危害

大剧院内的负载不同于普通的写字楼,主要以舞台设备和舞台灯光、各种音响为主,这类设备为可控硅调光设备,在单相灯光开通时,所对应相电压被拉低,其它两相电压瞬间提高。灯光明暗调节是通过控制可控硅导通角的大小来实现的,导通角越小,谐波畸变越厉害,由于要不断的调节灯光的明暗和投入灯光的数量,所以系统中谐波含量也是不断变化的,谐波含量基本在30%~100%变化。如下图(1)所示。可控硅调光设备工作在不同状态时,真个系统的谐波含量和系统功率因数不同。负载冲击造成电压波动。

以可控硅为主的单相相控整流灯光设备,在整个配电系统中造成系统谐波含量高,功率因数低,三相负载有功不平衡。对用电设备及整个配电系统影响较大。

1)艺术中心内部有很多重要的设备,如舞台机械电子调控设备、电视转播与通讯设备、调光设备等,对供电的可靠性,安全性,抗干扰性要求高,需要良好的供电环境。大量的谐波造成其电能质量干扰,导致通讯异常失灵,声音与图形失真等,如舞台灯光的可控硅调光系统,会因为谐波原因导致其开关时电压应力高而损坏。

2)配电系统中由于单相负载较多,导致零序谐波电流大,造成三相四线制系统的中线过载,变压器一般采用星三角接法,在变压器三角形接法侧变压器绕组内产生环流,造成变压器绕组过流,同时变压器中线过载,严重时甚至引发事故。

3)增加电力设施负荷,降低系统功率因数,降低用电设备的有效容量和效率,造成设备浪费、线路浪费和电能损失;使用电设备加速绝缘老化。引起继电器等控制器件误动作,使保护装置工作紊乱。谐波电流会对无功补偿电容器造成谐振和谐波电流放大,导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行。

2、大剧院配电电能质量治理的措施

针对大剧院配电系统的特点,谐波源主要为各种灯光设备,其单相负载多,三相负载不平衡,功率因数较低等问题,需要对其进行综合治理,采用一套补偿设备解决上述问题,消除系统的电能质量问题。采用山东华天电气 有源电力滤波器,它是新一代电能质量综合治理设备,集合有源电力滤波器,无功补偿和三相不平衡校正等功能于一体。

华天有源电力滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电能质量综合治理专用设备,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),同时根据系统的三相电压信号对电压、电流信号进行处理,将谐波与基波分离,无功功率及三相有功分别计算,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,同时产生所需的无功功率及需要平衡的有功功率。从而实现对电力谐波、无功和三相不平衡校正的动态、快速、彻底治理,原理图见图(2)。

3、应用实例

以省会文化中心大剧院的歌剧厅电能综合治理为例,由于单台设备容量小,且负载分散,综合考虑性价比,在配电使进行集中治理,解决电能质量问题,为整个配电系统营造一个绿色、安全的供用电环境。

3.1配电系统主要参数

主要负荷为可控硅调光灯。负载类型为单相整流性负载。谐波特征次3次、5次、7次为主,同时含有9次、11次、13次、15次、17次等高次谐波。补偿容量为在配电室安装100A有源电力滤波器。

3.2歌剧厅配电电能质量综合治理前后数据比较如下图(2)。

3.3数据分析评价(略)

从电能质量治理前后波形和数据可以看出,整个配电系统电能质量得到明显的改善,有效降低了系统由于谐波导致的电压上升,延长了用电设备的使用寿命,避免因电压过高烧毁电器设备的问题,电力谐波得到了很好的抑制,使配电系统的电流总谐波畸变率THD由原来的21.2%降为4.2%,满足国标GB/T14549-1993的要求。

总谐波电流减小了91A;同时对系统中存在的大量基波无功和谐波无功进行了补偿和治理,配电系统的效率得到提高,功率因数PF由0.97提高到0.99。视在功率和无功功率显著降低。

提高了设备的利用率,降低了线路及变压器的发热损耗。

4.结论

通过对省会文化艺术中心大剧院配电系统电能质量综合治理后,提高了配电内各用电设备的运行质量与可靠性,降低配电变压器铁损和杂散损耗,提高了配电系统的效率;同时解决由于大量的谐波电流导致视在功率增加,功率因数降低,配电变压器负荷加重、损耗增加并导致局部过热,配电线路额外发热、线损增加等一系列电能质量问题。

其次减少了无功功率降低线路功率损耗,增加电网的传输能力、提高电源设备利用率,减小电源设备容量,改善电网电压质量。平衡三相负载,使相间功率一致,降低由于三相不平衡引起相间偏压、造成环流损耗等问题。避免使设备运行更可靠、更安全、更节能。

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