有源滤波器在剧场中的应用——解析青岛大剧院舞台可控硅调光系统的谐波抑制

时间：2024-05-19

潘云辉，宿向民

（1.珠海市视广工程技术咨询有限公司，广东珠海 519000；2.青岛大剧院，山东青岛 266101）

几十年来，可控硅调光装置在我国剧院、电视演播室舞台灯光系统中使用极为普遍，其价格低廉、操作性能稳定，是演艺行业灯光工作者最熟悉的工具之一，但它同时又是舞台电气设备中最麻烦的谐波源。由谐波所引发的配电网电能波形畸变，在很大程度上影响了电气设备的正常运转，谐波造成电力设备损坏的事件也频频发生。为此，业界专业技术人员孜孜不倦地研究，希望探索出抑制或消除谐波的行之有效的办法，以保障电气设备的正常运行。尤其是在当今倡导低碳节能的形势下，正确采取谐波抑制措施，有效治理谐波具有更重要的意义。

本文拟通过青岛大剧院舞台可控硅调光系统的谐波抑制案例，来解析有源滤波器在剧院中的应用。

1 舞台电力系统谐波的产生及特性分析

舞台电力系统主要包括舞台灯光、扩声和舞台机械等系统用电。由于用电负荷中大量非线性负载设备的使用，产生了大量谐波电流，对供电电网及用电设备产生了严重的污染，舞台灯光系统中的可控硅调光设备引起的电流波形畸变是主要谐波。

对可控硅调光设备所产生的谐波进行专项治理，降低其对电网和用电设备的影响，可减少对调光设备本身和舞台扩声系统、舞台机械自动控制系统等重要电子设备的影响，改善电网质量，确保本单位电力配电系统安全、高效运行。

可控硅调光器是目前舞台照明、电视演播室照明领域的主流设备，它实质上是一个单相的相位控制交流调压器，是一种典型的非线性电气设备，通过可控硅调光技术对照明系统进行控制，用改变正弦波的触发脉冲导通角度来实现输出电压高低的调整。由于可控硅导通角度的改变，使得调光器输出的电压波形发生了变化，输出的已经不再是周期性的正弦波，而是非正弦波，导致电压、电流波形发生了畸变。对该周期性非正弦分量进行傅立叶级数分析可知，可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波，这些高次谐波通过导线传导到其他负载，引起电网电源电压波形畸变，形成对电网系统的谐波污染（谐波分析见表1）。

表1 剧院配电系统电能谐波分析一览表

2 谐波的危害

剧院舞台电源电压波形畸变所造成的电网谐波污染，使电气系统的供、用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的，就舞台电气系统而言，主要有以下几个方面的危害：

（1）舞台扩声系统、舞台机械自动控制系统、电视转播与通讯设备等极易受到电能谐波的干扰，出现失灵、死机、声音与图像严重失真等后果与事故。就舞台灯光可控硅调光系统而言，电能谐波超限将干扰可控硅组件触发控制的同步，甚至导致同步失败。

（2）电力高次谐波将严重干扰电声学系统的正常功能，特别是人的听力对17次以上高次谐波具有高敏感度，电声系统设备非常需要消除高次谐波的干扰。

（3）电力谐波易导致电网与补偿电容器发生并联或串联谐振，使谐波电流放大几倍或十几倍，造成过电流，引起补偿电容器和与之相连的电抗器、电阻器等设备损坏。

（4）在三相四线配电线路中，相线上的3次及奇次谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流（通常为相线电流的1.5～2.5倍，最大时达到3倍）。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，随着谐波次数高频率的上升，电缆导体趋肤效应越发明显，从而导致导体的交流电阻增大，电缆的允许通过电流减小，进而造成中性线发热，使得断路器额定电流降低与脱扣电流降低，因谐波产生跳闸的误动作。

（5）对于计算机网络、通信、火灾自动报警与剧院自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

3 国家对公用电网谐波电压的限值标准

为了限制谐波污染，保障公用电网的安全运行，美国电气电子工程师学会（IEEE）和我国从不同角度出发推出了相应的谐波标准。我国早于1993年7月31日颁布了国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》，把电网中的电压总谐波畸变率及各次谐波含有率控制在允许的范围内，以保证供电质量，使接入电网中用户的各种用电器具免受谐波的危害，保持正常工作。

评估谐波电压是以电压总谐波畸变率是否超过上述标准为依据，谐波电压治理目标就是要小于表2中的限值。

表3中，主要考核用户向供电系统公共连接点注入谐波电流分量（方均根值）不应超过以上规定的允许值。国际标准IEEE 519/1992针对诸如机场、医院等重要负荷，规定奇次谐波电流畸变率不大于10%，剧院舞台灯光系统负荷目前一般采用国际标准IEEE 519/1992来评判。

表2 公用电网谐波电压（相电压）限值：引自GB/T 14549-1993

表3 注入电网公共连接点的谐波电流允许值：引自GB/T 14549-1993

4 舞台电力系统中谐波抑制措施

谐波抑制的措施主要有两种：一是主动治理，即从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其不产生或少产生谐波，目前用备受关注的正弦波电子调光系统取代可控硅调光系统就是一种非常有效的主动治理方式；二是被动治理，本着谁污染、谁治理的原则，即在谐波源端通过安装电力滤波器，阻止谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。

4.1 无源滤波器

为抑制可控硅调光中谐波的产生，生产调光器的厂家通常在可控硅的单相输出回路上设置高频电感电容滤波器，减缓电流变化上升的时间，这种在谐波源处滤出谐波的方法，可以较大地减少高次谐波的分量。目前在可控硅单相调光回路中普遍采用L-C无源滤波器，由L（电感）与C（电容）构成一串联谐振支路，谐振频率f由L和C所确定。当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可抑制该次谐波流入电网。L-C无源滤波器有投资少、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，它在吸收高次谐波的同时，还具有改善功率因数的功能。但是在一个调光回路上厂家只是设计了一个L-C滤波支路，是针对一个谐波电流频率而设置的，而对于多频率的谐波电流，需分别设置多个L-C滤波支路，这样做可能造成彼此相互干扰，又会导致顾此失彼，而且设备量的增加还会受到系统参数的限制，可能产生谐振，放大谐波。

4.2 有源滤波器

与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度补偿可控和快速自适应响应性，能抑制各次谐波，具有动态补偿的特点，弥补了无源滤波器的不足。它有一机多能的作用，性价比较为合理，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；更具有自适应功能，可自动跟踪补偿抑制变化中的多次谐波。

在实际应用中，针对谐波产生的原因和强弱进行技术经济分析和设计，可根据谐波的严重性及危害程度，装设必要的L-C无源滤波器、有源滤波器或二者混合使用，从谐波产生的源头上减少谐波的干扰。

并联型有源滤波器实质上是一个补偿受控、快速反应的谐波电流源，与非线性负荷并联，自动检测非线性负荷产生的谐波电流。DSP产生的控制信号控制IGBT高速开关器件，经过输出电抗器，输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，起到消除谐波的作用。

在进行有源滤波器治理设计时，需根据剧院配电系统和负荷情况的不同，设计不同的解决方案。有源滤波器的安装与谐波源越近，滤波效果越好，这是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法。但在一些非线性负荷分布分散负载的场合，可以采取变压器总补偿或二级配电补偿的方案，根据实际情况可配合使用不同方案。有源滤波器安装位置非常灵活，可根据设计需要达到理想的谐波治理效果。

5 有源滤波器在青岛大剧院舞台灯光系统中的应用

青岛大剧院设有1 600座的歌剧院、1 200座的音乐厅和400座的多功能厅，舞台灯光系统全部采用可控硅调光设备。

为有效抑制谐波对电气设备的污染，设计采用并联型有源滤波器来补偿抑制谐波，并联型有源滤波器主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。由此在本案中多处采用有源波器，在配电系统相关节点采取了相应谐波治理措施，以减少电力谐波对灯光设备、电声学系统设备干扰，改善相关电子设备运行的电磁环境。具体解析如下。

5.1 歌剧院舞台可控硅调光器的谐波抑制

5.1.1 舞台灯光配电设备配置

96路×5 kW 可控硅调光柜10台96路×5 kW 智能直通柜4台6路×6 kW 场灯、工作灯6台

5.1.2 配电容量的设计公式

Pjs=Kx×(r×Py+B×S)

设备装机容量N（为灯光回路总数）×Dw（为单位回路容量）

功率系数：r取0.2

最大同时使用系数：Kx取0.3～0.8

调光总功率：Py

面积系数：B取0.5～0.6

面积：S为表演区面积

5.1.3 舞台灯光配电容量计算

调光总功率Py=1 344×5+36×6 = 6 936 kW最大同时使用系数Kx= 0.58功率系数r = 0.2面积系数B = 0.5

面积S ≈ 1 250.688 m2

配电容量: Pjs= 0.58×（0.2×6 936 kW+0.5×1 250.688 m2）≈1 168 kW

歌剧院舞台灯光配电1 150 kW（2 075 A），由变电所低压柜引出两组紧密型母线槽2 500 A（五芯）至调光硅柜室ATS双电源切换柜，调光配电选用国标GCK型抽屉式低压开关柜。（注：N线为相线截面的2倍）。

5.1.4 有源滤波器设备配置

按照调光模块额定容量换算，谐波电流水平在调光模块额定相电流的13%～37%。由于剧院灯光系统的运行特点决定了调光系统谐波水平频繁变化的特点，总体谐波水平将在一个比较宽的幅度内随机变化，换算到等效容量，相谐波电流容量取为额定电流的30%。常用工作电流I相= 2 000 A，需要补偿的最大谐波电流：I谐波= 2 000 A×0.3 = 600 A。

图1 歌剧院舞台灯光电气有源滤波器配置系统图

选用RESINETM三相四线有源滤波器作为谐波抑制装置，主要指标参数为：滤除谐波次数2～51次；谐波衰减比>10；响应时间≤1 ms。设置额定谐波滤波电流容量200 A的RST4XB200PSM型号滤波器3台（该装置为模块化，可根据谐波抑制的需求，增减电流容量模块），并联运行的总额定谐波电流滤波能力为600 A/相。3台并联有源滤波器共享谐波检测电流信号，设备之间互有通讯，实现联机均衡输出反相谐波电流（配置系统见图1）。

5.1.5 有源滤波器投运检测数据

检测仪器：（HIOKI 3196）多功能电能质量分析仪运行测试时，舞台灯光配电设计负荷全部加载，所有调光回路设在导通角为50%左右，有源滤波器投入前后的检测数据对比见表4，检测数据对比记录图见图2（1）～（10）。

5.1.6 歌剧院舞台灯光电气有源滤波器投运后情况

由图2（1）～（10）对比分析可见，有源滤波器投入使用后，谐波电压总畸变率（THDU）由11.63%下降到4.20%，电流总畸变率（THDI）由34.27%下降至5.44%，谐波电流波形得到显著的改善呈正弦波形态；符合国标GB/T14549-1993的小于5.0%的指标要求，电流畸变率明显降低达到10%以下，也达到了IEEE 519/1992国际标准的要求。通过检测，中性线电流由750 A下降到150 A，减少了中性线的发热，消除了误跳闸现象；功率因数由0.964 6提高至0.990 4，从而使电流有效值降低，减少了无功损耗，谐波电压值VH由公式计算得来；谐波电流值Ih由公式：计算得来。提高了设备的使用效率。在滤波器投入前检测，3、5、7、9次谐波量最大（尤其是3次和5次）并含有部分高次谐波量；有源滤波器投入后，谐波电流得到明显的抑制，通过分析和计算，谐波抑制率达到80%以上，若在滤波器设备中再增加部分额定电流容量模块，提高谐波电流的补偿能力后，谐波抑制率还会得到更好的改善。谐波抑制率的改善主要取决于舞台灯光系统谐波电流与滤波器额定电流容量的比值，谐波电流与滤波器额定电流容量的比值越小，谐波抑制率越佳，最高可达到95%以上。由此可见，在舞台灯光控制系统使用有源滤波器后，谐波抑制取得显著效果，达到预期的设计要求。

表4 歌剧院舞台灯光电气有源滤波器投运前后检测数据对比表

图2 歌剧院舞台灯光电气有源滤波器投运前后检测数据对比记录图

根据测试数据的比对，经过有源滤波器治理后，电压畸变率小于5%，谐波电流有效值明显降低，同时功率因数得到极大的改善，提高了电能利用率，青岛大剧院歌剧院的谐波治理工作达到了预期目标和效果。

5.2 音乐厅舞台可控硅调光器的谐波抑制

5.2.1 舞台灯光配电设备配置

96路×6 kW可控硅调光柜1台

60路×6 kW智能直通柜1台

6路×6 kW场灯、工作灯2台

5.2.2 配电容量的设计公式

参见 5.1.2。

5.2.3 舞台灯光配电容量计算

调光总功率：Py=168×6 =1 008 kW

最大同时使用系数：Kx=0.38

功率系数：r = 0.2

面积系数：B = 0.5

面积：S ≈ 239 m2

配电容量：Pjs= 0.38×（0.2×1 008 kW+0.5×239 m2）≈122 kW（228 A）

5.2.4 有源滤波器设备配置

常用工作电流I相=300 A，需要补偿的最大谐波电流：I谐波= 300 A×0.3 = 90 A。

选用RESINETM三相四线有源滤波器作为谐波抑制装置，主要指标参数为：滤除谐波次数2～51次；谐波衰减比 >10；响应时间≤1 ms。设容量90 A的DERST4XB090PSM型号滤波器1台, 运行额定谐波电流滤波能力为90 A/相。实现输出反相谐波电流（配置系统见图3）。

5.2.5 有源滤波器投运检测数据

有源滤波器投入前后的检测数据对比见表5。

5.2.6 音乐厅舞台灯光电气有源滤波器投运后情况

（1）电流波形明显改善，使用滤波器后电流波形呈正弦波形态；

图3 音乐厅舞台灯光电气有源滤波器配置系统图

表5 音乐厅舞台灯光电气有源滤波器投运前后测试数据对比表

（2）使用滤波器后电压畸变状况得到改善，谐波电压总畸变率（THDU）从2.32 %下降到1.58 %；

（3）使用滤波器后电流畸变状况得到明显改善，谐波电流总畸变率（THDI）从46.57 %下降到8.04 %；

（4）使用滤波器后功率因数有所提高，由投入前的0.762 6提高到0.913 7，提高了设备的使用效率。

音乐厅舞台灯光系统使用了国产可控硅调光柜，由于国产器件的技术参数与进口元器件存在一定的差异性，调光回路中电流上升的时间明显快于进口器件，所造成的谐波干扰也明显大于进口调光柜。投入额定谐波电流90 A/相的有源滤波器后，谐波抑制取得显著效果。

5.3 多功能厅舞台可控硅调光器的谐波抑制

5.3.1 舞台灯光配电设备配置

96路×6 kW可控硅调光柜4台

96路×6 kW智能直通柜1台

6路×6 kW场灯、工作灯2台

5.3.2 配电容量的设计公式

参见 5.1.2。

5.3.3 舞台灯光配电容量计算

调光总功率：Py= 492×6=2 952 kW

最大同时使用系数：Kx= 0.43

功率系数：r = 0.2

面积系数：B = 0.5

面积：S ≈ 689 m2

配电容量：Pjs= 0.43×（0.2×2 952 kW+0.5×689 m2）≈402 kW（722 A）

5.3.4 有源滤波器设备配置

常用工作电流I相=800 A，需要补偿的最大谐波电流：I谐波= 800 A×0.3=240 A。

选用RESINETM三相四线有源滤波器作为谐波抑制装置，主要指标参数为：滤除谐波次数2～51次；谐波衰减比>10；响应时间≤1 ms。设容量120 A的RST4XB120PSM型号滤波器2台，并联运行总额定谐波电流滤波能力为240 A/相。2台并联有源滤波器共享谐波检测电流信号，设备之间互有通讯，实现联机均衡输出反相谐波电流（配置系统见图4）。

5.3.5 有源滤波器投运检测数据

有源滤波器投入前后的检测数据对比见表6。

5.3.6 多功能厅舞台灯光电气有源滤波器投运后情况

（1）电流波形明显改善，使用滤波器后电流波形呈正弦波形态；

（2）使用滤波器后电压畸变状况得到改善，谐波电压总畸变率（THDU）从10.38 %下降到3.18 %；

（3）使用滤波器后电流畸变状况得到明显改善，谐波电流总畸变率（THDI）从49.22 %下降到9.68 %；

图4 多功能厅舞台灯光电气有源滤波器配置系统图

（4）使用滤波器后功率因数有所提高，由投入前的0.716 5提高到0.957 3，提高了设备的使用效率。

可见，投入额定谐波电流240 A/相的有源滤波器后，谐波抑制取得显著效果。

6 谐波治理效果评估

青岛大剧院安装有源滤波器设备后，在歌剧院、音乐厅、多功能厅几个配电机房的可控硅进线柜使用专用的电能质量测试仪器进行检测，对比有源滤波器投入前和有源滤波器投入后的测试数据可知，经过有源滤波器治理后，电压畸变率小于5%，谐波电流有效值明显降低，达到国标GB14549-1993的要求，电流畸变率明显降低达到10%以下，也达到了IEEE 519/1992国际标准的要求；同时功率因数明显得以改善，提高了电能利用率。青岛大剧院针对舞台可控硅调光的谐波治理工作达到了预期的目标和效果。