混合型濾波方法在智能建筑諧波治理中的應用

祁曉鈺（齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

0 引言

隨著智能建筑及智能小區(qū)的迅速發(fā)展,智能建筑中大量的電子設備及電氣設備諧波源產生的諧波對配電系統(tǒng)污染嚴重, 若治理不力,這種污染愈來愈重, 將成為公用電網的主要污染源。 因此, 綜合治理好智能建筑的諧波和無功功率, 對提高公用電網的電能質量以及提高智能建筑的功能和效益等方面有十分重要的意義。

1 智能建筑中諧波源分類及危害

1.1 智能建筑中諧波源分類

1.1.1 含有半導體非線性元件的諧波源

UPS 電源、直流屏、變頻調速器、軟起動器、氣體放電燈、電子鎮(zhèn)流器、家用電器及辦公電器的直流電源、可控硅調光器、交流調壓器等電力電子裝置[1]。它們所產生的諧波電流主要為奇次諧波，也是民用建筑配電系統(tǒng)中主要的諧波源。

1.1.2 含有電弧和鐵磁非線性設備的諧波源

交流電動機、變壓器、特種光源、斷路器和熔斷器動作電弧等，一般情況下同步電機所產生的奇次諧波與異步電機所產生的間諧波和次諧波并不嚴重，可以忽略[2]。變壓器所產生的諧波電流大小與其鐵芯飽和程度有關。

1.1.3 嚴格意義上講，電力網絡的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產生諧波，其中產生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上。 充氣電光源和家用電器更是常見的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應用氣體放電原理發(fā)光， 其伏安特性具有明顯的非線性特征。計算機、電視機、錄像機、調光燈具、調溫炊具、微波爐等家用電器，因內置調壓整流元件，會對電網產生高次奇諧波；電風扇、洗衣機、空調器含小功率電動機，也會產生一定量的諧波[3]。 這類設備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網諧波源中不可忽視的因素。

1.2 諧波對智能建筑用電設備的危害

（1）諧波電流使變壓器線圈發(fā)熱, 加速絕緣老化, 壽命縮短, 引起損耗增加和噪聲。

（2）諧波會對保護、自動控制裝置產生干擾, 造成誤動或拒動。

（3）使照明設施的壽命縮短。

（4）電壓表、電流表、電能表等儀器受諧波影響造成測量誤差。

（5）對鄰近通信線路產生諧波電壓的靜電干擾和諧波電流的電磁干擾。

（6）諧波容易引起電網與用于補償電網無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生串/并聯(lián)諧振。

（7）諧波電流使配電線路損耗增大, 輸電能力降低。

（8）諧波對電子設備有不良影響。

（9）無功功率的增加, 會導致電流的增大和視在功率的增加[4]。

（10）設備及線路損耗增加。

2 幾種常見的諧波治理方法

抑制諧波的總體思路有三個：其一是設置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力系統(tǒng)裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數(shù)可控為1；其三是在電網系統(tǒng)中采用適當?shù)拇胧﹣硪种浦C波[5]。 具體方法有以下幾種：

（1）選用適當?shù)碾娍蛊鳎?/p>

（2）選用適當濾波器；

（3）采用多相脈沖整流；

（4）開發(fā)新型的變頻器；

（5）選用D-YN11 接線組別的三相配電變壓器。

3 混合型諧波（HAPF）治理方法及工程設備仿真

有源電力濾波器可動態(tài)地補償諧波、無功及負序電流，而又不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振，所以濾波效果比無源電力濾波器好得多。 但由于單獨使用的有源電力濾波器容量大、成本高，因而其應用受到限制。將有源電力濾波器與無源電力濾波器混合使用，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點無疑是一種較好的選擇。

3.1 混合型諧波治理系統(tǒng)結構及工作原理

如圖1 示。 其中，無源濾波器由 3，5，7，9 次單調諧濾波器支路及高通濾波器支路組成。有源濾波器由8 個IGBT、直流電容及濾波電感構成，直流電容可為有源濾波器提供一個穩(wěn)定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產生的高頻開關頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)后并入電網。 由于有源濾波器不是直接對諧波電流進行消除，它所產生的補償電壓中只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經濟性，從而可降低系統(tǒng)成本。

當有源濾波器發(fā)生故障時，通過中斷服務程序將有源濾波器停止運行，封鎖有源濾波器的驅動脈沖；并控制交流接觸器動作，從而將濾波器從電網中切除。 而無源濾波器還可以正常工作，不至于對電網造成大的沖擊，這在工程應用上是非常重要的。因此，這種混合濾波器具有很強的實用性。

圖1 系統(tǒng)結構圖

3.2 工程設備概況

本文以齊齊哈爾市某電信大樓為實例，針對大樓產生的電氣諧波進行研究，驗證混合式濾波在建筑電氣諧波治理中的有效性。 本樓地處齊齊哈爾市繁華地段,地塊占地面積為4500m2；東西約63m；南北75m；建筑物呈 L 形布置，主樓2～25 層建筑高度為84.6m；附樓 10 層建筑高度為40.80m。 地下室為汽車庫和設備用房，底層為門廳、展示廳、消防值班室。 主樓層為綜合辦公會議室，附樓二層為機房管理用房，3～10 層為樞紐機房。 本工程變電所內設有四臺干式變壓器，1#、2#變壓器主要提供節(jié)能燈、熒光燈、計算機、電梯、變頻泵、VRV 主機等非線性負載電源，3#、4# 變壓器主要提供節(jié)能燈、熒光燈、計算機、電梯、UPS 不間斷電源系統(tǒng)設備及開關電源等非線性負載電源。

1#、2# 變壓器容量分別為 1250kV?A；3#、4# 變壓器容量分別為1600kV·A。

工程產生諧波的主要設備：

表1 本工程產生諧波的主要設備

本工程諧波計算所應用的計算原則：

（1）據(jù)甲方要求，1#、2# 變壓器互為備用（一用一備），中間聯(lián)絡開關平時均合上，3#、4# 變壓器也一樣。 故1#、2# 變壓器合在一起計算，3#、4# 變壓器合在一起計算。

（2）計算按照最惡劣的負載工況進行。

（3）本計算方法考慮正常的電感性負載，但沒有考慮電容性負載。

（4）1250kV·A 及 1600kV·A 變壓器的短路阻抗按 6%計算。

3.3 基于MATLAB 的仿真計算

本工程的工作條件選擇在最惡劣的工況下， 投入混合補償器，取得了很好的補償效果。 補償后的平均功率因數(shù)達到了0.94。 在基波電流劇烈波動的情況下，混合補償器亦能實現(xiàn)跟蹤補償。 首先建立一個有源濾波裝置的系統(tǒng)圖如下圖2 示，其中期望值為SCOPE5 所顯示的波形，SCOPE4 顯示的為干擾噪聲的波形，SCOPE8 顯示的是濾波后的波形效果，SCOPE2 顯示的是誤差值。 RLS 自適應濾波器單獨作用，基本結構比較簡單，期望即正弦波，輸入為正弦波與雜波混合后的諧波。

圖2 仿真系統(tǒng)圖

比較僅加裝PPF 以及加裝PPF 和APF 兩種情況下的濾波效果，得到如圖3 示的仿真結果。 仿真結果表明：APF 能有效阻止背景諧波進入PPF，使混合補償器具有較強的防止串聯(lián)諧振的能力。 當電壓源的頻率發(fā)生偏移時，PPF 的濾波能力下降， 系統(tǒng)電流的THDI 由8.3%升到9.8%。此時由于APF 的作用，混合補償器仍保持了較好的濾波能力，系統(tǒng)電流的THDI 為2.1%。仿真結果證明：由于采用了鎖相環(huán)來跟蹤電源電壓的頻率與相位， 并將鎖相環(huán)的輸出作為電壓參考信號，將此諧波及無功電流檢測方案用數(shù)字信號處理芯片 （或其他微處理器）來實現(xiàn)時，檢測的結果不受頻偏的影響。 APF 能在電壓源的頻率發(fā)生偏移的情況下，保證混合補償器仍有很好的濾波能力，此時由于裝置的主要無功元件仍是電感和電容，混合濾波器的濾波效果還是要受到頻偏影響。

圖3 有源濾波效果圖

由圖3 可以直觀的看到本次運行后的一個濾波效果，可以說效果非常的明顯，有著其它濾波方式無法比擬的優(yōu)越性，但是現(xiàn)在由于技術和材料方面的限制，有源濾波方式還沒能達到現(xiàn)在電力電子方面的技術要求，所以，本文建議如果追求高效的濾波效果，還是應該考慮無源-有源混合濾波方式。在圖3 中也可以看出，雖然濾波的效果已經很明顯， 但是仍然沒有達到我們想要的接近于理想效果的波形曲線，下面我們將要在原有的基礎上再加裝一個無源濾波器，仍然以MATLAB仿真平臺作為我們的實驗工具，對原裝置進行優(yōu)化。 建立MATLAB 仿真系統(tǒng)圖如4 所示，按照控制系統(tǒng)的結構圖進行電路設計。其中，解算選項如下：變步長，最大步長1e-5s,相對精度1e-5s,相對精度為1e-3,算法選擇ode23t(mod.Stiff/trapezoidal),其它選項選擇默認設置。 運行后的運行結果如圖5 所示。 圖5 是SCOPER 濾波器中得到的濾波結果，其余示波器的顯示結果此處省略。

圖4 優(yōu)化后的系統(tǒng)圖

圖5 優(yōu)化后的系統(tǒng)得出的濾波效果圖

3.4 結果分析

由圖5 可以看出， 得到的波形已經很接近我們期望的理想狀態(tài)下的波形。 濾波效果達到了95%，可以說很好的完成了濾波任務。 另外，將圖3 與圖5 進行對比可以發(fā)現(xiàn)，單獨加有源濾波器的效果明顯不如混合式濾波方式的效果, 進一步證明了混合式濾波方式的有效性。

4 結束語

本文開發(fā)了一種諧波治理的方法，分析了一種適用于智能建筑諧波抑制的混合電力濾波器，對解決當前智能建筑日益嚴重的諧波污染問題具有重要的現(xiàn)實意義。仿真結果證明本文提出的混合補償器是可行的，采用的控制策略合理，有益于智能建筑中電力系統(tǒng)的無功和諧波綜合治理方案的制定與實施。

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