混合型濾波方法在智能建筑諧波治理中的應(yīng)用

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本文分析了智能建筑電氣用電設(shè)備諧波源分類及危害，并且開發(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(jié)果證明本文提出的混合型濾波方法是可行的。

諧波治理；智能建筑；有源電力濾波器；混合補償法

ApplicationofaHybridFilterMethodinIntelligentBuildingHarmonicSuppression

QIXiao-yu

（QiqiharUniversity，QiqiharHeilongjiang161006，China）

Thispaperanalyzestheintelligentbuildingelectricalequipmentharmonicsourceclassificationandharm，anddevelopedaharmonicsuppressionmethod.Hybridpowerfiltersapplytointelligentbuildingharmoniccontrolisanalyzed，itisofimportantpracticalsignificancetosolveintelligentbuildingincreasinglyseriousharmonicpollutionproblem.Thesimulationresultsprovethattheproposedhybridfilteringmethodisfeasible.

Harmonicssuppression；Intelligentbuilding；Activepowerfilter；Mixedcompensatingmethod

0引言

隨著智能建筑及智能小區(qū)的急速進展，智能建筑中大量的電子設(shè)備及電氣設(shè)備諧波源產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)的電能質(zhì)量以及提高智能建筑的功能和效益等方面有特別重要的意義。

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(dǎo)體非線性元件的諧波源

UPS電源、直流屏、變頻調(diào)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(diào)光器、交流調(diào)壓器等電力電子裝置[1]。它們所產(chǎn)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(shè)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，一般處境下同步電機所產(chǎn)生的奇次諧波與異步電機所產(chǎn)生的間諧波和次諧波并不嚴重，可以疏忽[2]。變壓器所產(chǎn)生的諧波電流大小與其鐵芯飽和程度有關(guān)。

1.1.3嚴格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)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(yīng)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(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風(fēng)扇、洗衣機、空調(diào)器含小功率電動機，也會產(chǎn)生確定量的諧波[3]。這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不成忽略的因素。

1.2諧波對智能建筑用電設(shè)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）諧波會對養(yǎng)護、自動操縱裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動或拒動。

（3）使照明設(shè)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(chǎn)生諧波電壓的靜電干擾和諧波電流的電磁干擾。

（6）諧波輕易引起電網(wǎng)與用于補償電網(wǎng)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，輸電才能降低。

（8）諧波對電子設(shè)備有不良影響。

（9）無功功率的增加，會導(dǎo)致電流的增大和視在功率的增加[4]。

（10）設(shè)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(shè)置諧波補償裝置來補償諧波；其二是對電力系統(tǒng)裝置本身舉行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控為1；其三是在電網(wǎng)系統(tǒng)中采用適當?shù)拇胧﹣硪种浦C波[5]。概括方法有以下幾種：

（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(shè)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、本金高，因而其應(yīng)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)布局及工作原理

如圖1示。其中，無源濾波器由3，5，7，9次單調(diào)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(gòu)成，直流電容可為有源濾波器供給一個穩(wěn)定的直流電壓；濾波電感可減小有源濾波器產(chǎn)生的高頻開關(guān)頻率諧波。有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)后并入電網(wǎng)。由于有源濾波器不是直接對諧波電流舉行消釋，它所產(chǎn)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(jīng)濟性，從而可降低系統(tǒng)本金。

當有源濾波器發(fā)生故障時，通過中斷服務(wù)程序?qū)⒂性礊V波器中斷運行，封鎖有源濾波器的驅(qū)動脈沖；并操縱交流接觸器動作，從而將濾波器從電網(wǎng)中切除。而無源濾波器還可以正常工作，不至于對電網(wǎng)造成大的沖擊，這在工程應(yīng)用上是分外重要的。因此，這種混合濾波器具有很強的實用性。

圖1系統(tǒng)布局圖

3.2工程設(shè)備概況

本文以齊齊哈爾市某電信大樓為實例，針對大樓產(chǎn)生的電氣諧波舉行研究，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4500㎡；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(shè)備用房，底層為門廳、表示廳、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(nèi)設(shè)有四臺干式變壓器，1#、2#變壓器主要供給節(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#變壓器主要供給節(jié)能燈、熒光燈、計算機、電梯、UPS不休止電源系統(tǒng)設(shè)備及開關(guān)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(chǎn)生諧波的主要設(shè)備：

表1本工程產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備

本工程諧波計算所應(yīng)用的計算原那么：

（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(luò)開關(guān)平日均合上，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舉行。

（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)達成了0.94。在基波電流強烈波動的處境下，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(yīng)濾波器單獨作用，根本布局對比簡樸，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

對比僅加裝PPF以及加裝PPF和APF兩種處境下的濾波效果，得到如圖3示的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果說明：APF能有效阻攔背景諧波進入PPF，使混合補償器具有較強的防止串聯(lián)諧振的才能。當電壓源的頻率發(fā)生偏移時，PPF的濾波才能下降，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才能，系統(tǒng)電流的THDI為2.1%。仿真結(jié)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，將此諧牽扯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(jié)果不受頻偏的影響。APF能在電壓源的頻率發(fā)生偏移的處境下，保證混合補償器仍有很好的濾波才能，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，可以說效果分外的明顯，有著其它濾波方式無法對比的優(yōu)越性，但是現(xiàn)在由于技術(shù)和材料方面的限制，有源濾波方式還沒能達成現(xiàn)在電力電子方面的技術(shù)要求，所以，本文建議假設(shè)追求高效的濾波效果，還是理應(yīng)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(jīng)很明顯，但是依舊沒有達成我們想要的接近于夢想效果的波形曲線，下面我們將要在原有的根基上再加裝一個無源濾波器，依舊以MATLAB仿真平臺作為我們的測驗工具，對原裝置舉行優(yōu)化。建立MATLAB仿真系統(tǒng)圖如4所示，按照操縱系統(tǒng)的布局圖舉行電路設(shè)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(shè)置。運行后的運行結(jié)果如圖5所示。圖5是SCOPER濾波器中得到的濾波結(jié)果，其余示波器的顯示結(jié)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(jié)果分析

由圖5可以看出，得到的波形已經(jīng)很接近我們期望的夢想狀態(tài)下的波形。濾波效果達成了95%，可以說很好的完成了濾波任務(wù)。另外，將圖3與圖5舉行比較可以察覺，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，進一步證領(lǐng)略混合式濾波方式的有效性。

4終止語

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(jié)果證明本文提出的混合補償器是可行的，采用的操縱策略合理，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。

[1]李令冬，張昊，等.樓宇電能質(zhì)量測試實例[J].電氣工程應(yīng)用，2022，2：3