祁曉鈺（齊齊哈爾大學(xué)，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(shè)備及電氣設(shè)備諧波源產(chǎn)生的諧波對(duì)配電系統(tǒng)污染嚴(yán)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(duì)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(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(dòng)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(dòng)機(jī)、變壓器、特種光源、斷路器和熔斷器動(dòng)作電弧等，一般情況下同步電機(jī)所產(chǎn)生的奇次諧波與異步電機(jī)所產(chǎn)生的間諧波和次諧波并不嚴(yán)重，可以忽略[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(yán)格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)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(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、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(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動(dòng)機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波[3]。 這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。

1.2 諧波對(duì)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(huì)對(duì)保護(hù)、自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾, 造成誤動(dòng)或拒動(dòng)。

（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(duì)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）諧波容易引起電網(wǎng)與用于補(bǔ)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, 輸電能力降低。

（8）諧波對(duì)電子設(shè)備有不良影響。

（9）無功功率的增加, 會(huì)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(gè)：其一是設(shè)置諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；其二是對(duì)電力系統(tǒng)裝置本身進(jìn)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(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波[5]。 具體方法有以下幾種：

（1）選用適當(dāng)?shù)碾娍蛊鳎?/p>

（2）選用適當(dāng)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(dòng)態(tài)地補(bǔ)償諧波、無功及負(fù)序電流，而又不會(huì)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(dú)使用的有源電力濾波器容量大、成本高，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(diǎn)無疑是一種較好的選擇。

3.1 混合型諧波治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)IGBT、直流電容及濾波電感構(gòu)成，直流電容可為有源濾波器提供一個(gè)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(duì)諧波電流進(jìn)行消除，它所產(chǎn)生的補(bǔ)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(jì)性，從而可降低系統(tǒng)成本。

當(dāng)有源濾波器發(fā)生故障時(shí)，通過中斷服務(wù)程序?qū)⒂性礊V波器停止運(yùn)行，封鎖有源濾波器的驅(qū)動(dòng)脈沖；并控制交流接觸器動(dòng)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(duì)電網(wǎng)造成大的沖擊，這在工程應(yīng)用上是非常重要的。因此，這種混合濾波器具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)例，針對(duì)大樓產(chǎn)生的電氣諧波進(jìn)行研究，驗(yàn)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(shè)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(huì)議室，附樓二層為機(jī)房管理用房，3～10 層為樞紐機(jī)房。 本工程變電所內(nèi)設(shè)有四臺(tái)干式變壓器，1#、2#變壓器主要提供節(jié)能燈、熒光燈、計(jì)算機(jī)、電梯、變頻泵、VRV 主機(jī)等非線性負(fù)載電源，3#、4# 變壓器主要提供節(jié)能燈、熒光燈、計(jì)算機(jī)、電梯、UPS 不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備及開關(guān)電源等非線性負(fù)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(jì)算所應(yīng)用的計(jì)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(luò)開關(guān)平時(shí)均合上，3#、4# 變壓器也一樣。 故1#、2# 變壓器合在一起計(jì)算，3#、4# 變壓器合在一起計(jì)算。

（2）計(jì)算按照最惡劣的負(fù)載工況進(jìn)行。

（3）本計(jì)算方法考慮正常的電感性負(fù)載，但沒有考慮電容性負(fù)載。

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

3.3 基于MATLAB 的仿真計(jì)算

本工程的工作條件選擇在最惡劣的工況下， 投入混合補(bǔ)償器，取得了很好的補(bǔ)償效果。 補(bǔ)償后的平均功率因數(shù)達(dá)到了0.94。 在基波電流劇烈波動(dòng)的情況下，混合補(bǔ)償器亦能實(shí)現(xiàn)跟蹤補(bǔ)償。 首先建立一個(gè)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(dú)作用，基本結(jié)構(gòu)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(jié)果。 仿真結(jié)果表明：APF 能有效阻止背景諧波進(jìn)入PPF，使混合補(bǔ)償器具有較強(qiáng)的防止串聯(lián)諧振的能力。 當(dāng)電壓源的頻率發(fā)生偏移時(shí)，PPF 的濾波能力下降， 系統(tǒng)電流的THDI 由8.3%升到9.8%。此時(shí)由于APF 的作用，混合補(bǔ)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(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(hào)，將此諧波及無功電流檢測方案用數(shù)字信號(hào)處理芯片 （或其他微處理器）來實(shí)現(xiàn)時(shí)，檢測的結(jié)果不受頻偏的影響。 APF 能在電壓源的頻率發(fā)生偏移的情況下，保證混合補(bǔ)償器仍有很好的濾波能力，此時(shí)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(yùn)行后的一個(gè)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(shù)和材料方面的限制，有源濾波方式還沒能達(dá)到現(xiàn)在電力電子方面的技術(shù)要求，所以，本文建議如果追求高效的濾波效果，還是應(yīng)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(jīng)很明顯， 但是仍然沒有達(dá)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(chǔ)上再加裝一個(gè)無源濾波器，仍然以MATLAB仿真平臺(tái)作為我們的實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)原裝置進(jìn)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(jié)構(gòu)圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。其中，解算選項(xiàng)如下：變步長，最大步長1e-5s,相對(duì)精度1e-5s,相對(duì)精度為1e-3,算法選擇ode23t(mod.Stiff/trapezoidal),其它選項(xiàng)選擇默認(rèn)設(shè)置。 運(yùn)行后的運(yùn)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)很接近我們期望的理想狀態(tài)下的波形。 濾波效果達(dá)到了95%，可以說很好的完成了濾波任務(wù)。 另外，將圖3 與圖5 進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)加有源濾波器的效果明顯不如混合式濾波方式的效果, 進(jìn)一步證明了混合式濾波方式的有效性。

4 結(jié)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(duì)解決當(dāng)前智能建筑日益嚴(yán)重的諧波污染問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。仿真結(jié)果證明本文提出的混合補(bǔ)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(shí)施。

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