混合型滤波方法在智能建筑谐波治理中的应用

2014-02-24祁晓钰齐齐哈尔大学黑龙江齐齐哈尔161006

科技视界 2014年11期

祁晓钰（齐齐哈尔大学，黑龙江齐齐哈尔 161006）

0 引言

随着智能建筑及智能小区的迅速发展,智能建筑中大量的电子设备及电气设备谐波源产生的谐波对配电系统污染严重, 若治理不力,这种污染愈来愈重, 将成为公用电网的主要污染源。因此, 综合治理好智能建筑的谐波和无功功率, 对提高公用电网的电能质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义。

1 智能建筑中谐波源分类及危害

1.1 智能建筑中谐波源分类

1.1.1 含有半导体非线性元件的谐波源

UPS 电源、直流屏、变频调速器、软起动器、气体放电灯、电子镇流器、家用电器及办公电器的直流电源、可控硅调光器、交流调压器等电力电子装置[1]。它们所产生的谐波电流主要为奇次谐波，也是民用建筑配电系统中主要的谐波源。

1.1.2 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源

交流电动机、变压器、特种光源、断路器和熔断器动作电弧等，一般情况下同步电机所产生的奇次谐波与异步电机所产生的间谐波和次谐波并不严重，可以忽略[2]。变压器所产生的谐波电流大小与其铁芯饱和程度有关。

1.1.3 严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多位于用电环节上。充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波[3]。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。

1.2 谐波对智能建筑用电设备的危害

（1）谐波电流使变压器线圈发热, 加速绝缘老化, 寿命缩短, 引起损耗增加和噪声。

（2）谐波会对保护、自动控制装置产生干扰, 造成误动或拒动。

（3）使照明设施的寿命缩短。

（4）电压表、电流表、电能表等仪器受谐波影响造成测量误差。

（5）对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰。

（6）谐波容易引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生串/并联谐振。

（7）谐波电流使配电线路损耗增大, 输电能力降低。

（8）谐波对电子设备有不良影响。

（9）无功功率的增加, 会导致电流的增大和视在功率的增加[4]。

（10）设备及线路损耗增加。

2 几种常见的谐波治理方法

抑制谐波的总体思路有三个：其一是设置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为1；其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波[5]。具体方法有以下几种：

（1）选用适当的电抗器；

（2）选用适当滤波器；

（3）采用多相脉冲整流；

（4）开发新型的变频器；

（5）选用D-YN11 接线组别的三相配电变压器。

3 混合型谐波（HAPF）治理方法及工程设备仿真

有源电力滤波器可动态地补偿谐波、无功及负序电流，而又不会与系统发生谐振，所以滤波效果比无源电力滤波器好得多。但由于单独使用的有源电力滤波器容量大、成本高，因而其应用受到限制。将有源电力滤波器与无源电力滤波器混合使用，充分发挥二者的优点无疑是一种较好的选择。

3.1 混合型谐波治理系统结构及工作原理

如图1 示。其中，无源滤波器由 3，5，7，9 次单调谐滤波器支路及高通滤波器支路组成。有源滤波器由8 个IGBT、直流电容及滤波电感构成，直流电容可为有源滤波器提供一个稳定的直流电压；滤波电感可减小有源滤波器产生的高频开关频率谐波。有源滤波器和无源滤波器串联后并入电网。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，它所产生的补偿电压中只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，从而可降低系统成本。

当有源滤波器发生故障时，通过中断服务程序将有源滤波器停止运行，封锁有源滤波器的驱动脉冲；并控制交流接触器动作，从而将滤波器从电网中切除。而无源滤波器还可以正常工作，不至于对电网造成大的冲击，这在工程应用上是非常重要的。因此，这种混合滤波器具有很强的实用性。

图1 系统结构图

3.2 工程设备概况

本文以齐齐哈尔市某电信大楼为实例，针对大楼产生的电气谐波进行研究，验证混合式滤波在建筑电气谐波治理中的有效性。本楼地处齐齐哈尔市繁华地段,地块占地面积为4500m2；东西约63m；南北75m；建筑物呈 L 形布置，主楼2～25 层建筑高度为84.6m；附楼 10 层建筑高度为40.80m。地下室为汽车库和设备用房，底层为门厅、展示厅、消防值班室。主楼层为综合办公会议室，附楼二层为机房管理用房，3～10 层为枢纽机房。本工程变电所内设有四台干式变压器，1#、2#变压器主要提供节能灯、荧光灯、计算机、电梯、变频泵、VRV 主机等非线性负载电源，3#、4# 变压器主要提供节能灯、荧光灯、计算机、电梯、UPS 不间断电源系统设备及开关电源等非线性负载电源。

1#、2# 变压器容量分别为 1250kV?A；3#、4# 变压器容量分别为1600kV·A。

工程产生谐波的主要设备：

表1 本工程产生谐波的主要设备

本工程谐波计算所应用的计算原则：

（1）据甲方要求，1#、2# 变压器互为备用（一用一备），中间联络开关平时均合上，3#、4# 变压器也一样。故1#、2# 变压器合在一起计算，3#、4# 变压器合在一起计算。

（2）计算按照最恶劣的负载工况进行。

（3）本计算方法考虑正常的电感性负载，但没有考虑电容性负载。

（4）1250kV·A 及 1600kV·A 变压器的短路阻抗按 6%计算。

3.3 基于MATLAB 的仿真计算

本工程的工作条件选择在最恶劣的工况下，投入混合补偿器，取得了很好的补偿效果。补偿后的平均功率因数达到了0.94。在基波电流剧烈波动的情况下，混合补偿器亦能实现跟踪补偿。首先建立一个有源滤波装置的系统图如下图2 示，其中期望值为SCOPE5 所显示的波形，SCOPE4 显示的为干扰噪声的波形，SCOPE8 显示的是滤波后的波形效果，SCOPE2 显示的是误差值。 RLS 自适应滤波器单独作用，基本结构比较简单，期望即正弦波，输入为正弦波与杂波混合后的谐波。

图2 仿真系统图

比较仅加装PPF 以及加装PPF 和APF 两种情况下的滤波效果，得到如图3 示的仿真结果。仿真结果表明：APF 能有效阻止背景谐波进入PPF，使混合补偿器具有较强的防止串联谐振的能力。当电压源的频率发生偏移时，PPF 的滤波能力下降，系统电流的THDI 由8.3%升到9.8%。此时由于APF 的作用，混合补偿器仍保持了较好的滤波能力，系统电流的THDI 为2.1%。仿真结果证明：由于采用了锁相环来跟踪电源电压的频率与相位，并将锁相环的输出作为电压参考信号，将此谐波及无功电流检测方案用数字信号处理芯片（或其他微处理器）来实现时，检测的结果不受频偏的影响。 APF 能在电压源的频率发生偏移的情况下，保证混合补偿器仍有很好的滤波能力，此时由于装置的主要无功元件仍是电感和电容，混合滤波器的滤波效果还是要受到频偏影响。

图3 有源滤波效果图

由图3 可以直观的看到本次运行后的一个滤波效果，可以说效果非常的明显，有着其它滤波方式无法比拟的优越性，但是现在由于技术和材料方面的限制，有源滤波方式还没能达到现在电力电子方面的技术要求，所以，本文建议如果追求高效的滤波效果，还是应该考虑无源-有源混合滤波方式。在图3 中也可以看出，虽然滤波的效果已经很明显，但是仍然没有达到我们想要的接近于理想效果的波形曲线，下面我们将要在原有的基础上再加装一个无源滤波器，仍然以MATLAB仿真平台作为我们的实验工具，对原装置进行优化。建立MATLAB 仿真系统图如4 所示，按照控制系统的结构图进行电路设计。其中，解算选项如下：变步长，最大步长1e-5s,相对精度1e-5s,相对精度为1e-3,算法选择ode23t(mod.Stiff/trapezoidal),其它选项选择默认设置。运行后的运行结果如图5 所示。图5 是SCOPER 滤波器中得到的滤波结果，其余示波器的显示结果此处省略。