智能建筑中的諧波問題*

張恒博， 魏立明， 李海軍

（吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130118）

智能建筑中的諧波問題*

張恒博， 魏立明， 李海軍

（吉林建筑大學(xué)，吉林長春 130118）

張恒博（1994-），男，研究方向為建筑電氣節(jié)能。

采用基于電流平均值諧波檢測對諧波電流進行了仿真研究。比較了混合型有源濾波器的控制方法，得出復(fù)合控制方式具有良好的補償特性。最后采用ViSual BaSic語言進行編程，構(gòu)建一個可視化的樓宇供配電系統(tǒng)諧波抑制計算與分析軟件。

智能建筑；諧波檢測；電流平均值；混合型有源電力濾波器

0 引 言

近年來,智能建筑中大量使用用電設(shè)備,給公共電網(wǎng)注入大量的諧波和無功功率,使得公共電網(wǎng)中的電能質(zhì)量惡化。同時,人們對公共電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高,對電網(wǎng)中的諧波含量及用電設(shè)備的功率因數(shù)也提出了更高的要求。

本文分析了智能建筑中的諧波問題,采用基于功率平均值的方法進行了諧波檢測,提出了混合型諧波抑制方案。

1 諧波電流檢測方法

1.1 理論分析

電流平均值法基于瞬時無功功率理論諧波檢測方法,用一個平均值模塊來代替低通濾波器(LPF),以此來實現(xiàn)濾波。平均值模塊得到的平均電流值就是與電流基頻成分相對應(yīng)的直流量。電流平均值法原理如圖1所示。

圖1 電流平均值方法原理

一個對稱的三相負載,其三相電流相位差為120°,因此電流的相位φa＝0,φb＝_2π/3,φc＝2π/3,相序為a_b_c,則第n次諧波分量的相位φan＝0,φbn＝_2nπ/3,φcn＝+2nπ/3。

(1)若n＝3i(i＝0,1,2,…,∞),則φan＝φbn＝φcn,即3的倍數(shù)次諧波為零序。

(2)若n＝6i+5,則φan＝0,φbn＝2π/3,φcn＝_2π/3,則基波為負序,相序為a_c_b。

(3)若n＝6i+1,則φan＝0,φbn＝_2π/3, φcn＝2π/3,與基波同為正序,相序則為a_b_c。

由此可知,負載電流經(jīng)過三相到兩相變換后,其正序諧波的次數(shù)將降低一次,而負序諧波的次數(shù)將升高一次,則6i+1和6i+5次諧波經(jīng)過變換后,次數(shù)分別為6i和6i+6。因此,如果對電流ip、iq進行1/6基波周期的積分,得到的非零平均值分量就是與基波分量對應(yīng)的直流量,由此得到負載電流的基波分量。

電流平均值法獲取直流分量的原理如圖2所示。

圖2 電流平均值法獲取直流分量的原理

圖2中,積分模塊的輸出減去延遲模塊的輸出表示電流在區(qū)間［t_T/6,t］的積分值(T為基波周期),除法模塊完成積分電流除以積分區(qū)間T/6,延遲模塊的輸出是電流積分延遲1/6基波周期的值,就得到要檢測的諧波和無功電流的分量。

1.2 電流平均值諧波檢測的仿真模型

仿真在MATLAB 7.0軟件包的Simulink工具箱下實現(xiàn),為了比較傳統(tǒng)的濾波器法與電流平均值方法的不同,設(shè)計了兩相/三相變換模塊。在模塊庫中選擇正余弦信號、乘法器、加法器、放大器模塊來構(gòu)建變換矩陣,然后封裝成一個子模塊。根據(jù)電流平均值的原理框圖構(gòu)建該模塊,并且將其封裝成電流平均值模塊。同理,可以構(gòu)建三相/兩相變換模塊,并封裝成一個子模塊。電流平均值模塊可以由連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的積分器、固定時間延遲及其信號增益模塊構(gòu)成。電流平均值原理諧波檢測的仿真模型主要由三角波發(fā)生器、零階保持器、兩相/三相變換模塊和三相/兩相變換模塊和平均值模塊組成。

當(dāng)負載電流增大1倍時,三種檢測法測得的電流波形如圖3～圖5所示。由圖3～圖5可知,電流平均值法過渡時間短,在電流突變后約T/6個周期后就能補償諧波,并且用數(shù)字方法實現(xiàn)簡單、可靠；而使用數(shù)字低通濾波器的ip_iq檢測法,雖然在一個半周期后也能正確地補償諧波,但過渡的時間明顯變長。電流平均值諧波檢測法可以同時檢測諧波和無功,且具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度。對三相平衡負載,過渡時間為T/6個基波周期,計算簡單,不受電壓諧波的影響。

圖3 傳統(tǒng)濾波器法檢測的補償后電流波形

圖4 負載變化時電流平均值法檢測的補償后電流波形

圖5 電流平均值法檢測的諧波電流波形

2 混合型有源電力濾波器的抑制方法仿真

2.1 控制方式優(yōu)選

有源濾波器在混合型有源電力濾波器中的作用是調(diào)節(jié)無源濾波器的濾波效果,并且補償諧波,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。

本文對混合型有源濾波器中的電網(wǎng)側(cè)諧波電流控制方式、負載側(cè)諧波電流控制方式和復(fù)合控制方式進行分析。抑制方式效果對比如表1所示。

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,得到較理想的控制效果。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,結(jié)合了兩種控制方式的優(yōu)點。復(fù)合控制的等效電路圖如圖6所示。其中,Us為電源電壓, Ish為諧波分量,UTh為諧波電壓,KS、K1h為控制系數(shù)。

表1 抑制方式效果對比_

圖6 復(fù)合控制的等效電路圖

由圖6(a)可得到

可以得出,復(fù)合控制方式的濾波特性是Ish＝0,UTh＝Ush,Uc＝ZfhI1h+Ush。

3 軟件設(shè)計分析

設(shè)計了樓宇供配電系統(tǒng)諧波分析軟件,由開始登錄界面和主操作界面兩部分組成。其中,主操作界面分為數(shù)據(jù)輸入界面、諧波分析界面、解決方案界面和幫助界面。諧波分析界面分為波形顯示和餅圖顯示,解決方案界面中包括無源濾波器、有源電力濾波器、混合型有源電力濾波器和無功補償4種方法。

4 結(jié) 語

本文對智能樓宇的諧波問題進行了分析,提出了基于電流平均值的諧波電流檢測方法,并對其進行了仿真研究。同時對混合型有源濾波器的控制方法進行了比較,得出復(fù)合控制方式具有良好的補償特性。設(shè)計了樓宇供配電系統(tǒng)諧波分析軟件,為智能建筑的諧波治理提供參考。

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[5] 馬旸，王洪濤.隨機子空間的智能建筑諧波檢測方法[J].現(xiàn)代建筑電氣，2012，3（5）：23-27.

Harmonic ProblemSof Intelligent Building

ZHANGHengbo, WEILiming, LIHaijun
(Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)

The harmonic current detection method based on average currentwas simulated.At the same time the controlmethod of hybrid active filter was comparatively studied.The composite controlmethod has good compensation characteristics.Finally,the harmonic suppression calculation and analysis software of visual building supply and distribution system was built by Visual Basic programming language.

intelligent build ing；harmonic detection；average cu rrent；hybrid active PoWer filter

TU 852

A

1674-8417(2015)12-0041-04

2015- 07- 24

魏立明（1974-），男，教授，研究方向為智能建筑系統(tǒng)集成與節(jié)能控制。

李海軍（1994-），男，研究方向為樓宇自動化。

吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201310191009）