智能建筑諧波檢測與抑制仿真研究*

魏立明 朱 楠 張恒博 李海軍

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118)

近年來，高層建筑向樓宇自動化方向迅速發(fā)展，越來越多的智能建筑出現(xiàn)在人們生活中．智能建筑中各種大量使用的非線性用電設(shè)備造成電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波，使得電能質(zhì)量明顯下降．隨之而帶來的諧波治理問題成為建筑供配電系統(tǒng)中需要解決的問題之一［1-2］．本文針對智能建筑中的諧波進(jìn)行深入分析，采用基于功率平均值的方法進(jìn)行諧波檢測，根據(jù)所檢測到的結(jié)果提出混合型諧波抑制方案，并且據(jù)此采用Visual Basic語言設(shè)計(jì)諧波分析軟件，為智能建筑的諧波治理的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)．

1 基于電流平均值的諧波電流檢測方法仿真分析

1．1 理論分析

電流平均值法是在瞬時無功功率理論諧波檢測方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其采用平均值模塊來實(shí)現(xiàn)濾波，該模塊所得到的電流值為平均值，其值為直流分量［3］．其數(shù)學(xué)模型見圖1．

圖1 電流平均值方法

經(jīng)過兩相變換后，正序諧波的次數(shù)降低，負(fù)序諧波次數(shù)升高，得到直流分量為平均值，也是與基波分量相對應(yīng)的量，其變換框圖見圖2．圖中含有4個模塊，分別為積分模塊、延遲模塊、減法模塊和除法模塊．減法模塊的輸入為積分模塊與延遲模塊的輸出量的相減，除法模塊表示積分區(qū)間T/6內(nèi)的電流積分．延遲模塊的輸出是電流積分延遲1/6基波周期的值．對應(yīng)的公式如(1)式，兩相電流ip，iq的平均值可以通過公式(1)得出．

圖2 兩相電流平均值法變換框圖

1．2 電流平均值諧波檢測的仿真模型

本系統(tǒng)的仿真通過MATLAB7．0中的simulink模塊來實(shí)現(xiàn)，仿真中對傳統(tǒng)濾波器控制方法和基于電流平均值方法的進(jìn)行了比較，在仿真中應(yīng)先構(gòu)建兩相變換模塊，根據(jù)電流平均值的模型圖建立電流平均值模塊．圖3～圖5分別給出了3種電流仿真波形，分別為傳統(tǒng)濾波器法、負(fù)載變化時用電流平均值法以及使用電流平均值法檢測時仿真波形．通過比較分析發(fā)現(xiàn)采用電流平均值法諧波電流檢測時間短，補(bǔ)償較快，時間周期約為T/6個周期，并且用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)簡單可靠．從圖5中可以看出，基于電流平均值諧波檢測的方法的動態(tài)響應(yīng)速度較快，其過渡時間為T/6個基波周期．該方法具有計(jì)算簡單不受到電壓諧波影響特點(diǎn)．

圖3 使用傳統(tǒng)濾波器法時補(bǔ)償后電流

圖4 負(fù)載變化時用電流平均值法補(bǔ)償后電流

圖5 使用電流平均值法檢測時諧波電流

2 諧波抑制方法比較分析

2．1 控制方式的選擇

在混合型有源電力濾波器中有源濾波器可以調(diào)節(jié)無源濾波器得到想要的濾波效果，所以無論采用何種控制方式，都會對系統(tǒng)的濾波效果有影響［4-5］．本文針對混合型有源濾波器中的電網(wǎng)側(cè)諧波電流控制方式、負(fù)載側(cè)諧波電流控制方式和復(fù)合控制方式3個方法進(jìn)行分析，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，其抑制方式效果對比見表1．

表1 抑制方式效果對比

2．2 復(fù)合控制方式濾波分析

復(fù)合控制結(jié)合方式將前饋和反饋兩種控制方法結(jié)合在一起，會得到一個理想的控制效果．復(fù)合控制結(jié)合方式是在檢測電網(wǎng)側(cè)諧波電流和檢測負(fù)載側(cè)諧波電流控制方式的基礎(chǔ)上，提出的新的控制方式，因?yàn)樗粌H結(jié)合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，而且又克服了各自的不足．復(fù)合控制的等效電路見圖6．Us為電源電壓，Ish為諧波分量，UTh為諧波電壓，UC為輸出電壓，Ks和K1h是控制系數(shù)．

圖6 諧波復(fù)合控制方式的等效電路

當(dāng)Us為正弦時，由圖(b)可以得到下式:

得出:

3 軟件設(shè)計(jì)分析

本節(jié)主要分析了智能建筑供配電系統(tǒng)諧波分析軟件設(shè)計(jì)過程和方法，它由系統(tǒng)初始界面和監(jiān)控界面兩部分組成．其中，監(jiān)控界面又由4個模塊組成，分別為數(shù)據(jù)輸入模塊、諧波分析模塊、解決方案模塊和幫助模塊．對系統(tǒng)初始界面采取權(quán)限設(shè)置，用戶需要輸入相應(yīng)的用戶名和密碼才能夠登錄，對于諧波分析模塊又分成波形顯示和餅圖顯示兩種，解決方案模塊中采用無源濾波器、有源電力濾波器、混合型有源電力濾波器3種諧波抑制方法．設(shè)計(jì)畫面見圖7．

圖7 軟件方案畫面

4 結(jié)語

本文對智能樓宇的諧波進(jìn)行了深入的分析，提出了基于電流平均值的諧波電流檢測方法，并且采用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真．同時重點(diǎn)比較研究了混合型有源濾波器控制方法，得出復(fù)合控制方式是3種控制方式中最好的方式．文中最后通過VB得到智能建筑諧波抑制計(jì)算與分析軟件供工程技術(shù)人員作為參考．

［1］侯文寶，李德路，王春明．智能建筑諧波問題研究與治理［J］．智能建筑與城市信息，2012(11):12-15．

［2］汪云峰．智能建筑諧波的特點(diǎn)分析和綜合治理［J］．智能建筑電氣技術(shù)，2011(6):32-35．

［3］方志聰．基于FFT變換的電網(wǎng)諧波分析及其仿真研究［J］．電氣應(yīng)用，2014(4):68-71．

［4］李 俊．一種新的電力系統(tǒng)諧波檢測方法研究［J］．電氣應(yīng)用，2013(4):48-50．

［5］馬 旸，王洪濤．隨機(jī)子空間的智能建筑諧波檢測方法［J］．現(xiàn)代建筑電氣，2012(5):23-27．