电梯反馈能量对电能质量的影响

姚泽华;万健如;张鹏;钱剑雄

【摘 要】Based on the investigations of the harm and the test methods of harmonic wave, the method of FFT is chosen to test the harmonic wave of voltage and current. Twelve typical elevators with different energy - feedback units are tested in the energy - feedback grid and the non - energy - feedback grid. Based on the test results, the harmonic

characteristics of the feedback energy and the effect on the quality of the electric energy when the elevator energy - feedback unit are discussed. According to the results, the feedback energy of the elevator will cause harmonic pollution to the grid and influence the power quality.%采用基于快速傅里叶变换的谐波检测方法,对目前国内在用的12台典型曳引电梯及能量反馈装置产品,分别在有能量回馈电网和无能量回馈电网2种情况下进行电压谐波和电流谐波的检测.依据检测结果,比较并分析了电梯反馈能量的谐波特点以及能量反馈装置的应用对于电能质量的影响.研究结果表明,电梯反馈能量会造成电网谐波污染,影响电能质量,因此,新型无污染的电梯节能新技术有待进一步研发. 【期刊名称】《计量学报》 【年(卷),期】2013(034)001 【总页数】4页(P45-48)

【关键词】计量学;电能质量;能量反馈;谐波分析;快速傅里叶变换 【作 者】姚泽华;万健如;张鹏;钱剑雄

【作者单位】中国特种设备检测研究院,北京100013 【正文语种】中 文 【中图分类】TB97

电梯作为现代建筑中主要耗能设备之一，其节能性目前已经成为重要的监察对象与研究内容，节能型电梯成为当前电梯发展的主要趋势。电梯能量反馈装置是根据电梯的工作原理，可将电梯发电状态下生成的电能回送到公用电网，它正被越来越多地应用到电梯产品中。然而，现有的电梯能量反馈装置基本上均为通过非线性的电能逆变器将直流电逆变为交流电，因此，产生谐波干扰现象不可避免。当这些谐波成分较严重时，就会对电网造成污染，甚至会影响电力系统的安全运行及线路周围的电磁环境［1］。特别是目前由于缺乏相应的监督与管理，国内电梯能量反馈装置的相关产品与性能参差不齐，给公网电能质量造成了极大隐患［2］。因此，有必要对电梯能量反馈装置对于电能质量，尤其是电网谐波的影响进行深入地研究，以便加强对于电梯反馈能量的重视，研发更加绿色环保的电梯节能产品。 作者以具有能量反馈功能的电梯为研究对象，从目前在用电梯中选择12台典型电梯及其能量反馈装置，分别在有能量反馈和无能量反馈的情况下进行谐波测量与分析，以研究能量反馈装置的应用对于公网电能质量的影响，为电梯节能技术的合理研发提供技术支持。

谐波是电能质量的重要指标之一。谐波对电网及电梯系统的危害有以下几方面：谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低发电、输电和用电设备的效率；谐波可影响各种电气设备的正常工作；谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，可引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表测量不准确；谐波对通信系统和电子设备会产生严重的干扰。因此，有必要对电梯反馈能量的谐波进行实际测量与研究，以便提出相应的抑制措施［3］。

由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，现有的谐波检测法按原理可分为：（1）模拟滤波器法；（2）基于Fryze传统功率定义的谐波检测法；（3）基于瞬时无功功率理论的谐波检测法（P-Q法）［4］；（4）基于快速傅里叶变换的谐波检测法（Fast Fourier Transform，FFT法）；（5）基于神经网络的谐波检测法［5］；（6）基于自适应对消原理的谐波检测法［6］；（7）基于小波分析的谐波检测法［7］等。其中，基于P-Q谐波检测法实时性好，延时小，既能检测谐波又能补偿无功；FFT谐波检测法，可以精确地分析与检测整数次谐波。这2种是目前进行谐波检测的主要方法，本文主要采用基于FFT的方法对电梯谐波进行检测与分析。 目前国内关于电能质量中的谐波要求主要有以下2个方面： （1）电压谐波

GB／T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中规定，380 V公用电网电压谐波应满足的电压谐波要求见表1。其中电压总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）定义为周期性交流量中谐波含量的均方根UH与基波均方根U1的比值，即，其表征电压的畸变程度；某次电压谐波含有率（Harmonic Ratio，HR）定义为周期交流量中某次谐波分量均方根Uh与基波均方根U1的比值，其表征第h次谐波的含量比；其中UH和Uh满足对于电流，这两个定义亦通用，电流总谐波畸变率表示为iTHD，电流谐波含有率表示为iHR，h。 （2）电流谐波

GB17625.6—2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》中对谐波电流发射值也作了规定，它将设备分为3级，每一级给出相应的电流限值。第1级为简化连接设备，其连接设备的谐波电流发射限值谐波电流值见表2，符合表2的设备可以直接接入电网。其中，某次电流谐波含有率100%，Ih为第h次谐波电流分量；I1为基波电流额定值。

4.1 电梯反馈能量的谐波检测

电梯反馈能量谐波检测系统的示意图见图1。采用三瓦特法进行电参数的测量，测量点位于电梯控制柜入口的主电路处。电流信号通过霍尔电流传感器进行采集，电压信号直接在主电路中采集，速度信号通过连接在曳引轮输出端运动部件上的速度传感器采集，所有这3路信号均接入WT3000高精度电功率仪中，并在其中进行实时存储。所有的数据均可最终导入电脑，并可进行相应的处理。在进行谐波的检测与分析时，WT3000采用基于FFT的谐波测量与分析方法，窗函数的宽度（测量周期）为200 ms。

选择12台具有不同厂家典型能量反馈装置产品的在用变频电梯，利用图1所示的检测原理，分别在无能量回馈电网（采用泄放电阻消耗再生能量）和有能量回馈电网（将再生能量通过能量反馈装置回馈电网）2种情况下进行谐波检测。测量过程为一次从基站（1层）到最高层站，再返回基站（1层）的往返行程。12台被测电梯的具体参数见表3。 4.2 电梯反馈能量的谐波分析

以编号为6的测试电梯为检测对象，分析其电梯反馈能量的谐波，检测结果见图2和图3。其中图2实线为有能量回馈电网和无能量回馈电网2种情况下电梯满载运行的电压畸变率曲线。为了与电梯的运动过程相对应，同时还用虚线给出了电梯的实时速度曲线。

由图2可以看出，电梯在加速和减速阶段，谐波畸变率均有较大变化。此外，当电梯处于恒速电动耗能状态时，谐波畸变率的变化较为平稳，而当处于恒速再生发电状态时谐波畸变率的起伏较大。特别是在满载下行时，能量回馈电网情况下的电压畸变率要明显大于无能量回馈电网情况下的电压畸变率，这说明反馈到电网的能量中含有大量谐波，这会对电能质量造成一定影响。

图3为有能量回馈电网和无能量回馈电网2种情况下，电梯满载下行的电流谐波

含有率曲线，本文仅考虑谐波次数h＜40的情况，h≥40的高次谐波由于含有率太小而忽略其影响。

由图3可以看出，变频电梯的谐波以非3的倍数的齐次波为主，并随着h值的增大谐波含有率逐渐减小。此外，能量回馈电网情况下电流谐波含有率要远大于无能量回馈电网情况，甚至超过了表2的限定值。其它11台电梯的谐波检测结果类似，反馈能量带有明显的谐波分量。将12台被测电梯的反馈能量谐波检测的结果进行汇总，见表4。

由表4可以看出，目前国内电梯能量反馈装置的性能有较大的差异，经过其逆变而得到的反馈能量包含大量的谐波成分，且相当一部分产品不能达到国标对于电能质量的要求。因此，能量反馈装置的盲目开发和采用，尤其是一些价格比较便宜的劣质产品的采用，有可能会产生弊大于利的效果。高质量的电梯能量反馈装置应该不仅能起到节能的效果，而且还要尽可能减少对周围电路环境的污染。

本文以电梯的反馈能量为研究对象，通过对谐波的检测与分析，发现现有电梯能量反馈装置反馈的电能会造成电网谐波污染，影响电能质量；而且加之国内电梯的再生电能入网计量存在体制障碍等，电梯的节能发展受到了制约。

目前尚处于研究状态的基于超级电容的电梯节能技术越来越受到关注，该技术通过超级电容存储和放电电压阀值的控制管理，在电梯处于发电状态时，将产生的电能直接储存下来；在电梯耗电状态时，又将储存的电能用于电梯自身的驱动中，实时循环储存使用电梯再生电能，超级电容储能装置不直接与公用电网产生关系。鉴于此，基于超级电容的电梯节能技术将可能成为我国电梯节能发展的一个新的方向。

【相关文献】

［1］刘志忠，周云翔.浅谈变频电梯的谐波影响及对策［J］.变频器世界，2007，（8）：99－100.

［2］朱武标，姚铨睿，叶东辉.两种不同能量回馈电梯对电网谐波影响的比较［J］.中国电梯，2010，21（1）：41－45.

［3］石新春，霍利民.电力电子技术与谐波抑制［J］.华北电力大学学报，2002，29（1）：6－9. ［4］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，1998. ［5］范沙浪.基于神经网络的谐波测量方法研究［D］.西安：西安理工大学，2005.

［6］李圣清，彭玉楼，周有庆.一种改进型自适应谐波电流检测方法的研究［J］.高电压技术，2002，28（12）：325

［7］周龙华，付青，余世杰，等.基于小波变换的谐波检测技术［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22（1）：80－85.