智能建筑谐波检测与抑制仿真研究*

魏立明 朱 楠 张恒博 李海军

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春 130118)

近年来，高层建筑向楼宇自动化方向迅速发展，越来越多的智能建筑出现在人们生活中．智能建筑中各种大量使用的非线性用电设备造成电网中产生了大量的谐波，使得电能质量明显下降．随之而带来的谐波治理问题成为建筑供配电系统中需要解决的问题之一［1-2］．本文针对智能建筑中的谐波进行深入分析，采用基于功率平均值的方法进行谐波检测，根据所检测到的结果提出混合型谐波抑制方案，并且据此采用Visual Basic语言设计谐波分析软件，为智能建筑的谐波治理的工程应用奠定理论基础．

1 基于电流平均值的谐波电流检测方法仿真分析

1．1 理论分析

电流平均值法是在瞬时无功功率理论谐波检测方法的基础上发展起来的，其采用平均值模块来实现滤波，该模块所得到的电流值为平均值，其值为直流分量［3］．其数学模型见图1．

图1 电流平均值方法

经过两相变换后，正序谐波的次数降低，负序谐波次数升高，得到直流分量为平均值，也是与基波分量相对应的量，其变换框图见图2．图中含有4个模块，分别为积分模块、延迟模块、减法模块和除法模块．减法模块的输入为积分模块与延迟模块的输出量的相减，除法模块表示积分区间T/6内的电流积分．延迟模块的输出是电流积分延迟1/6基波周期的值．对应的公式如(1)式，两相电流ip，iq的平均值可以通过公式(1)得出．

图2 两相电流平均值法变换框图

1．2 电流平均值谐波检测的仿真模型

本系统的仿真通过MATLAB7．0中的simulink模块来实现，仿真中对传统滤波器控制方法和基于电流平均值方法的进行了比较，在仿真中应先构建两相变换模块，根据电流平均值的模型图建立电流平均值模块．图3～图5分别给出了3种电流仿真波形，分别为传统滤波器法、负载变化时用电流平均值法以及使用电流平均值法检测时仿真波形．通过比较分析发现采用电流平均值法谐波电流检测时间短，补偿较快，时间周期约为T/6个周期，并且用数字方法实现简单可靠．从图5中可以看出，基于电流平均值谐波检测的方法的动态响应速度较快，其过渡时间为T/6个基波周期．该方法具有计算简单不受到电压谐波影响特点．

图3 使用传统滤波器法时补偿后电流

图4 负载变化时用电流平均值法补偿后电流

图5 使用电流平均值法检测时谐波电流

2 谐波抑制方法比较分析

2．1 控制方式的选择

在混合型有源电力滤波器中有源滤波器可以调节无源滤波器得到想要的滤波效果，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［4-5］．本文针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3个方法进行分析，对其优缺点进行对比，其抑制方式效果对比见表1．

表1 抑制方式效果对比

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在一起，会得到一个理想的控制效果．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，因为它不仅结合了两种控制方式的优点，而且又克服了各自的不足．复合控制的等效电路见图6．Us为电源电压，Ish为谐波分量，UTh为谐波电压，UC为输出电压，Ks和K1h是控制系数．

图6 谐波复合控制方式的等效电路

当Us为正弦时，由图(b)可以得到下式:

得出:

3 软件设计分析

本节主要分析了智能建筑供配电系统谐波分析软件设计过程和方法，它由系统初始界面和监控界面两部分组成．其中，监控界面又由4个模块组成，分别为数据输入模块、谐波分析模块、解决方案模块和帮助模块．对系统初始界面采取权限设置，用户需要输入相应的用户名和密码才能够登录，对于谐波分析模块又分成波形显示和饼图显示两种，解决方案模块中采用无源滤波器、有源电力滤波器、混合型有源电力滤波器3种谐波抑制方法．设计画面见图7．

图7 软件方案画面

4 结语

本文对智能楼宇的谐波进行了深入的分析，提出了基于电流平均值的谐波电流检测方法，并且采用MATLAB/Simulink进行了仿真．同时重点比较研究了混合型有源滤波器控制方法，得出复合控制方式是3种控制方式中最好的方式．文中最后通过VB得到智能建筑谐波抑制计算与分析软件供工程技术人员作为参考．

［1］侯文宝，李德路，王春明．智能建筑谐波问题研究与治理［J］．智能建筑与城市信息，2012(11):12-15．

［2］汪云峰．智能建筑谐波的特点分析和综合治理［J］．智能建筑电气技术，2011(6):32-35．

［3］方志聪．基于FFT变换的电网谐波分析及其仿真研究［J］．电气应用，2014(4):68-71．

［4］李 俊．一种新的电力系统谐波检测方法研究［J］．电气应用，2013(4):48-50．

［5］马 旸，王洪涛．随机子空间的智能建筑谐波检测方法［J］．现代建筑电气，2012(5):23-27．