智能建筑中的谐波问题*

张恒博， 魏立明， 李海军

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

智能建筑中的谐波问题*

张恒博， 魏立明， 李海军

（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

张恒博（1994-），男，研究方向为建筑电气节能。

采用基于电流平均值谐波检测对谐波电流进行了仿真研究。比较了混合型有源滤波器的控制方法，得出复合控制方式具有良好的补偿特性。最后采用ViSual BaSic语言进行编程，构建一个可视化的楼宇供配电系统谐波抑制计算与分析软件。

智能建筑；谐波检测；电流平均值；混合型有源电力滤波器

0 引 言

近年来,智能建筑中大量使用用电设备,给公共电网注入大量的谐波和无功功率,使得公共电网中的电能质量恶化。同时,人们对公共电网的供电质量要求越来越高,对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数也提出了更高的要求。

本文分析了智能建筑中的谐波问题,采用基于功率平均值的方法进行了谐波检测,提出了混合型谐波抑制方案。

1 谐波电流检测方法

1.1 理论分析

电流平均值法基于瞬时无功功率理论谐波检测方法,用一个平均值模块来代替低通滤波器(LPF),以此来实现滤波。平均值模块得到的平均电流值就是与电流基频成分相对应的直流量。电流平均值法原理如图1所示。

图1 电流平均值方法原理

一个对称的三相负载,其三相电流相位差为120°,因此电流的相位φa＝0,φb＝_2π/3,φc＝2π/3,相序为a_b_c,则第n次谐波分量的相位φan＝0,φbn＝_2nπ/3,φcn＝+2nπ/3。

(1)若n＝3i(i＝0,1,2,…,∞),则φan＝φbn＝φcn,即3的倍数次谐波为零序。

(2)若n＝6i+5,则φan＝0,φbn＝2π/3,φcn＝_2π/3,则基波为负序,相序为a_c_b。

(3)若n＝6i+1,则φan＝0,φbn＝_2π/3, φcn＝2π/3,与基波同为正序,相序则为a_b_c。

由此可知,负载电流经过三相到两相变换后,其正序谐波的次数将降低一次,而负序谐波的次数将升高一次,则6i+1和6i+5次谐波经过变换后,次数分别为6i和6i+6。因此,如果对电流ip、iq进行1/6基波周期的积分,得到的非零平均值分量就是与基波分量对应的直流量,由此得到负载电流的基波分量。

电流平均值法获取直流分量的原理如图2所示。

图2 电流平均值法获取直流分量的原理

图2中,积分模块的输出减去延迟模块的输出表示电流在区间［t_T/6,t］的积分值(T为基波周期),除法模块完成积分电流除以积分区间T/6,延迟模块的输出是电流积分延迟1/6基波周期的值,就得到要检测的谐波和无功电流的分量。

1.2 电流平均值谐波检测的仿真模型

仿真在MATLAB 7.0软件包的Simulink工具箱下实现,为了比较传统的滤波器法与电流平均值方法的不同,设计了两相/三相变换模块。在模块库中选择正余弦信号、乘法器、加法器、放大器模块来构建变换矩阵,然后封装成一个子模块。根据电流平均值的原理框图构建该模块,并且将其封装成电流平均值模块。同理,可以构建三相/两相变换模块,并封装成一个子模块。电流平均值模块可以由连续系统模块库中的积分器、固定时间延迟及其信号增益模块构成。电流平均值原理谐波检测的仿真模型主要由三角波发生器、零阶保持器、两相/三相变换模块和三相/两相变换模块和平均值模块组成。

当负载电流增大1倍时,三种检测法测得的电流波形如图3～图5所示。由图3～图5可知,电流平均值法过渡时间短,在电流突变后约T/6个周期后就能补偿谐波,并且用数字方法实现简单、可靠；而使用数字低通滤波器的ip_iq检测法,虽然在一个半周期后也能正确地补偿谐波,但过渡的时间明显变长。电流平均值谐波检测法可以同时检测谐波和无功,且具有较快的动态响应速度。对三相平衡负载,过渡时间为T/6个基波周期,计算简单,不受电压谐波的影响。

图3 传统滤波器法检测的补偿后电流波形

图4 负载变化时电流平均值法检测的补偿后电流波形

图5 电流平均值法检测的谐波电流波形

2 混合型有源电力滤波器的抑制方法仿真

2.1 控制方式优选

有源滤波器在混合型有源电力滤波器中的作用是调节无源滤波器的滤波效果,并且补偿谐波,所以无论采用何种控制方式,都会对系统的滤波效果有影响。

本文对混合型有源滤波器中的电网侧谐波电流控制方式、负载侧谐波电流控制方式和复合控制方式进行分析。抑制方式效果对比如表1所示。

2.2 复合控制方式滤波分析

复合控制结合方式将前馈和反馈两种控制方法结合,得到较理想的控制效果。复合控制结合方式是在检测电网侧谐波电流和检测负载侧谐波电流控制方式的基础上,提出的新的控制方式,结合了两种控制方式的优点。复合控制的等效电路图如图6所示。其中,Us为电源电压, Ish为谐波分量,UTh为谐波电压,KS、K1h为控制系数。

表1 抑制方式效果对比_

图6 复合控制的等效电路图

由图6(a)可得到

可以得出,复合控制方式的滤波特性是Ish＝0,UTh＝Ush,Uc＝ZfhI1h+Ush。

3 软件设计分析

设计了楼宇供配电系统谐波分析软件,由开始登录界面和主操作界面两部分组成。其中,主操作界面分为数据输入界面、谐波分析界面、解决方案界面和帮助界面。谐波分析界面分为波形显示和饼图显示,解决方案界面中包括无源滤波器、有源电力滤波器、混合型有源电力滤波器和无功补偿4种方法。

4 结 语

本文对智能楼宇的谐波问题进行了分析,提出了基于电流平均值的谐波电流检测方法,并对其进行了仿真研究。同时对混合型有源滤波器的控制方法进行了比较,得出复合控制方式具有良好的补偿特性。设计了楼宇供配电系统谐波分析软件,为智能建筑的谐波治理提供参考。

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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，研究方向为智能建筑系统集成与节能控制。

李海军（1994-），男，研究方向为楼宇自动化。

吉林建筑大学大学生创新创业训练计划项目（201310191009）