朱樹(shù)文 葛方甫

（山東華天電氣有限公司，濟(jì)南 250101）

電能質(zhì)量污染的治理需要功能齊全、高可靠的電能質(zhì)量產(chǎn)品。新型能量回饋式可編程電子能饋負(fù)載可以靈活模擬各種負(fù)載，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量產(chǎn)品的功能測(cè)試，并將有功回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量產(chǎn)品的節(jié)能。本文研制了一種基于雙核DSP 平臺(tái)的新型能量回饋式可編程電子能饋負(fù)載裝置，采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)利用交直交的背靠背雙向可調(diào)逆變平臺(tái)單元對(duì)為基礎(chǔ)，通過(guò)雙DSP 與外圍器件的配合，輔助于界面友好的上位人機(jī)觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了裝置的多單元對(duì)模塊化并聯(lián)擴(kuò)容，負(fù)載靈活編程和有功能量的高效、無(wú)污染調(diào)節(jié)回饋電網(wǎng)。裝置既具有DSP 預(yù)存國(guó)標(biāo)和行標(biāo)典型負(fù)載類(lèi)型，上位人機(jī)觸摸一鍵加載選擇輸出的功能，又具有上位人機(jī)觸屏提供自定義編程模板、靈活實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功、諧波編程，并模擬、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換下發(fā)DSP，DSP 接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 變換，生成輸出指令驅(qū)動(dòng)模擬、回饋單元輸出編程模擬的負(fù)載電流，并分析輸出數(shù)據(jù)回傳顯示和進(jìn)行各次諧波含量的微調(diào)。具有可靈活模擬多種負(fù)載，模塊并聯(lián)擴(kuò)容方便，輸出電流精度高，高效節(jié)能，人機(jī)界面友好操作方便的特點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)及功能

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置包括負(fù)載模擬發(fā)生單元、能量回饋調(diào)節(jié) 單元、人機(jī)界面的上位監(jiān)控觸屏組成。負(fù)載模擬發(fā)生單元和能量回饋調(diào)節(jié)單元的直流母線(xiàn)背靠背經(jīng)儲(chǔ)能電容器組連接組成交直交的雙向可調(diào)節(jié)逆變平臺(tái)，兩單元均由保護(hù)空開(kāi)、電流互感器、RC 高頻濾波吸收電路、緩沖電路、單相電感器、反饋電流霍爾傳感器、三相逆變橋、信號(hào)采樣單元、逆變橋驅(qū)動(dòng)保護(hù)單元、雙DSP 控制器組成；雙DSP 控制器與人機(jī)上位監(jiān)控觸屏實(shí)現(xiàn)485 通信相連。裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 裝置功能設(shè)計(jì)

為保證裝置實(shí)現(xiàn)智能可編程模擬三線(xiàn)或四線(xiàn)的有功、感性和容性無(wú)功、2～50 次諧波等各種負(fù)載電流，調(diào)節(jié)有功能量無(wú)污染饋入電網(wǎng)，具有靈活模擬多種負(fù)載、適應(yīng)電源電壓范圍大、輸出精度高、饋入電網(wǎng)電流諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的裝置在指令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制、信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、通信接口等方面滿(mǎn)足以下要求。

1）負(fù)載模擬單元DSP 既擁有預(yù)存的經(jīng)仿真的多種典型的，國(guó)標(biāo)、行標(biāo)要求的固定負(fù)載波形數(shù)據(jù)，又擁有開(kāi)放的編程波形數(shù)據(jù)處理區(qū)，負(fù)責(zé)接收處理經(jīng)人機(jī)界面編程的基波、無(wú)功、諧波數(shù)據(jù)，同時(shí)按模擬輸出要求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指令電流驅(qū)動(dòng)逆變橋輸出，并對(duì)輸出分析回傳顯示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

2）能饋單元DSP 調(diào)節(jié)直流母線(xiàn)，將有功回饋電網(wǎng)，分析回傳數(shù)據(jù)。

3）人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)整機(jī)的監(jiān)控調(diào)度，回傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示，提供典型固定負(fù)載的一鍵加載輸出選擇，基于幅值相位編程的基波、無(wú)功、諧波編程界面，并實(shí)現(xiàn)編程數(shù)據(jù)的極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、規(guī)約化、存儲(chǔ)、模擬、下發(fā)給模擬單元DSP，方便靈活應(yīng)用。

4）各功能單元獨(dú)立，擁有多種保護(hù)、防二次污染電路，多對(duì)小電流模塊對(duì)的的冗余并聯(lián)，保證裝置的輸出高精度、高可靠、易維護(hù)。

5）單元間采用modbus 規(guī)約的485 總線(xiàn)通信互聯(lián)，方便軟硬件擴(kuò)展。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)載模擬單元和能饋單元

負(fù)載模擬發(fā)生單元和能量回饋調(diào)節(jié)單元兩者直流母線(xiàn)背靠背經(jīng)DC-Bus 支撐電容相聯(lián)組成交直交雙向可調(diào)逆變平臺(tái)。硬件電路基本相同，均由三相可控逆變橋執(zhí)行電路，電抗濾波、RC 高頻吸收、緩沖電路、輸出反饋電流電壓信號(hào)采樣、驅(qū)動(dòng)保護(hù)、雙 DSP 控制器組成。尤其是單元控制器含有TMS320-F2812 雙DSP 內(nèi)核，保證指令快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)快速運(yùn)算分析，實(shí)時(shí)通信回傳人機(jī)界面。電路參數(shù)進(jìn)行仿真、實(shí)測(cè)配置，保證裝置的采樣精準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)可靠，保護(hù)齊全，整機(jī)輸出高精度、高可靠，無(wú)污染。

2.2 人機(jī)界面

采用工業(yè)級(jí)的支持Modbus-RTU 通信規(guī)約的多接口真彩色觸摸屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編程變換處理、下發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析顯示單元控制器回傳信號(hào)，提供以幅值相位編程負(fù)載電流的表格，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、歸一化、保存下發(fā)給負(fù)載模擬發(fā)生單元DSP 控制器，接收DSP 回傳的輸出電流分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)域波形的轉(zhuǎn)換顯示，同時(shí)接收兩單元的信號(hào)實(shí)現(xiàn)裝置的集中監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序由模擬單元DS P、能饋單元DSP、系統(tǒng)人機(jī)三個(gè)模塊組成，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)485 接口通信相連。系統(tǒng)人機(jī)程序與兩單元DSP 交互，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)度監(jiān)控兩個(gè)單元；兩個(gè)DSP 各自負(fù)責(zé)本單元的自檢、指令接收、數(shù)據(jù)處理、采樣控制、與系統(tǒng)人機(jī)交互。

3.2 雙DSP 程序設(shè)計(jì)

每個(gè)單元的DSP 控制器采用雙DSP 分解工作強(qiáng)度，兩者內(nèi)部交互為一體，一DSP 側(cè)重?cái)?shù)據(jù)預(yù)存、接收處理與外界通信交互，方便裝置模擬的靈活實(shí)用，另一DSP 側(cè)重內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、指令計(jì)算、PWM生成、模塊控制。負(fù)載模擬單元DSP 自檢完成，接收或預(yù)存各種負(fù)載波形的FFT 直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)，收到系統(tǒng)選擇指令，讀取預(yù)存典型或自編程數(shù)據(jù)，進(jìn)行FFT 變換處理比較，形成驅(qū)動(dòng)指令電流，驅(qū)動(dòng)逆變橋，輔之于緩沖、濾波、吸收、保護(hù)等輸出模擬的所需負(fù)載電流，并將電流數(shù)據(jù)分析上傳給系統(tǒng)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸出負(fù)載電流數(shù)據(jù)、波形、頻譜的顯示。

負(fù)載模擬時(shí)的有功經(jīng)直流母線(xiàn)傳遞給能量回饋調(diào)節(jié)單元，由其DSP 調(diào)節(jié)控制，經(jīng)直流交流變換，輔之于緩沖、濾波、吸收、保護(hù)，除自身的很少有功損耗外，絕大部分有功無(wú)污染又饋入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)將單元數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)人機(jī)監(jiān)控顯示。具體流程圖如圖2所示。

圖2 雙DSP 程序流程圖

3.3 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

上位人機(jī)界面經(jīng)485 通信與兩單元的DSP 控制器相連，主要實(shí)現(xiàn)裝置有功、無(wú)功、諧波編程和監(jiān)控。上位人機(jī)編程數(shù)據(jù)格式界面是基于友好的相位幅值相位的極坐標(biāo)格式，上位人機(jī)界面后臺(tái)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)計(jì)算坐標(biāo)格式的轉(zhuǎn)換，如A 相以模Ran與相角αAn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn與相角αBn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn與相角αCn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixcn、Iycn。并將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化約束處理、保存下發(fā)給負(fù)載模擬發(fā)生單元DSP 控制器，同時(shí)將DSP 控制器回傳的輸出電流波形數(shù)據(jù)和含量分析，進(jìn)行時(shí)域轉(zhuǎn)換，完成輸出電流的波形和各次數(shù)據(jù)柱狀圖顯示，實(shí)現(xiàn)各次諧波含量的微調(diào)。具體程序流程圖如圖3所示。

3.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的實(shí)現(xiàn)

上位人機(jī)界面主機(jī)便于用戶(hù)編程的上手，預(yù)存了一些預(yù)先仿真的典型負(fù)載類(lèi)型數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用或作為編程模板，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理與DSP 交互。

人機(jī)編程界面基于便于理解的幅值相位的極坐標(biāo)格式，數(shù)據(jù) FFT 表達(dá)式：f(t)=a0+(a1cosωt+b1sinωt)+…+(a1cos51ωt+b1sin51ωt)。負(fù)載模擬發(fā)生單元DSP 需要等效直角坐標(biāo)格式的數(shù)據(jù)，形式如下所表示：Ixa0,Iya0,Ixa1,Iya1,…,Ixa51,Iya51;Ixb0,Iyb0,Ixb1,Iyb1,…,Ixb51,Iyb51;Ixc0,Iyc0,Ixc1,Iyc1,…,Ixc51,Iyc51。

圖3 人機(jī)界面程序流程圖

為實(shí)現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行如下處理約定：A 相以模Ran與相角αAn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixan、Iyan；B 相以模Rbn與相角αBn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixbn、Iybn；C 相以模Rcn與相角αCn設(shè)定，轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的Ixcn、Iycn；等效轉(zhuǎn)換計(jì)算實(shí)現(xiàn)如圖4所示，各相電流的基波與諧波，以直角坐標(biāo)系IxIy為參考，在諧波參數(shù)編程設(shè)定中，諧波相角以Ua為基準(zhǔn)；基波設(shè)定以本相電壓為基準(zhǔn)，編程中設(shè)定模及功率因數(shù)cosφ。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)約定圖

通過(guò)以下計(jì)算公式由上位人機(jī)界面計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

A 相：Ixan=Ran*sin(αAn+n*3π/2)；Iyan= -1*Ran* cos(αAn+n*3π/2)。

B 相：Ixbn=Rbn*sin(αBn+n*3π/2)；Iybn= -1*Rbn* cos(αBn+n*3π/2)。

C 相：Ixcn=Rcn*sin(αCn+n*3π/2)；Iycn= -1*Rcn* cos(αCn+n*3π/2)。

基波的編程計(jì)算實(shí)現(xiàn):編程界面中的幅值相位及功率因數(shù)均以對(duì)應(yīng)相電壓為基準(zhǔn)，用戶(hù)修改時(shí)可以修改功率因數(shù)及感性/容性選擇；也可以直接輸入相角，相角與cosφ感性和容性聯(lián)動(dòng)；參數(shù)確認(rèn)后自動(dòng)修改計(jì)算并關(guān)聯(lián)到諧波編程界面。

諧波的編程計(jì)算實(shí)現(xiàn)：

諧波編程界面相位均以Ua相位作為0 度基準(zhǔn)，基波僅顯示不能修改，其數(shù)據(jù)來(lái)自于基波編程界面所編程的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)按上述公式經(jīng)極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換表轉(zhuǎn)換計(jì)算關(guān)聯(lián)而得。

編程電流波形數(shù)據(jù)的歸一化約束計(jì)算實(shí)現(xiàn)：

目的是保證編程各次電流設(shè)定值在設(shè)備額定值以下，并限制輸出高次諧波電流值，進(jìn)行自動(dòng)約束編程電流波形數(shù)據(jù)不大于裝置的最大輸出電流的計(jì)算。設(shè)裝置的每相額定輸出電流為Ie，總電流最大為3Ie；各次諧波數(shù)據(jù)幅值在編程時(shí)最大值限制值為Hn，Hn=3Ie/n，小于Ie；全部設(shè)定完成后，計(jì)算各相Irms（Irms=各次諧波幅值的均方根）并取最大值，與Ie比較，設(shè)K=Irms/Ie，K大于1 后，將Hn/K重新計(jì)算各次諧波值為當(dāng)前編程的正常數(shù)值。

上位人機(jī)為顯示DSP 控制器回傳的波形數(shù)據(jù)和

編程后的數(shù)據(jù)進(jìn)行的時(shí)域轉(zhuǎn)換計(jì)算實(shí)現(xiàn)：

以A 相為例，設(shè)A 相電流直流幅值=Ra0；基波幅值=Ra1，相角=αA1；二次幅值=Ra2，相角=αA2；三次幅值=Ra3，相角=αA3；……，n次諧波的幅值=Ran，相角=αAn；

按基波周期（50Hz 為20ms）分為k=360 點(diǎn)，點(diǎn)的序號(hào)j=0～359；時(shí)域每個(gè)點(diǎn)的值為Aj；

用下列公式計(jì)算電流到 51 次：Aj=Ra0+

4 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的裝置性能及實(shí)用性，將裝置接于電氣系統(tǒng)模擬輸出各種現(xiàn)實(shí)用中存在的負(fù)載，采用美國(guó)FLUKE435 電能質(zhì)量測(cè)試儀和示波器對(duì)裝置模擬輸出的波形和數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)照測(cè)試分析。

裝置模擬三相對(duì)稱(chēng)阻性、感性、容性負(fù)載，及負(fù)載組合，輸出正弦波電流，電流控制精度達(dá)3%以下，輸出正弦波大小電流效果，如圖5所示。

裝置模擬的三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)整流器負(fù)載符合現(xiàn)實(shí)中負(fù)載的波形，諧波含量分布，效果如圖6所示。

模擬三相發(fā)電機(jī)，用于測(cè)試APF 及SVG 在發(fā)電狀態(tài)下的工作能力，效果如圖7所示。

模擬阻性不平衡負(fù)載，用于測(cè)試設(shè)備單相、三相不平衡帶載能力，效果如圖8所示。

圖5 模擬輸出正弦波電流效果圖

圖6 模擬的整流器負(fù)載效果圖

圖7 模擬發(fā)電機(jī)輸出效果圖

圖8 模擬不平衡有功負(fù)載輸出效果圖

可編程，應(yīng)用靈活，能模擬任意混合型電流波形輸出，效果如圖9所示。

模擬負(fù)載連續(xù)階躍輸出，方便測(cè)試試品的響應(yīng) 速度，效果如圖10所示。

圖9 自編程模擬輸出混合波形效果圖

圖10

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本方案設(shè)計(jì)的能饋負(fù)載裝置具有模擬多種負(fù)載、輸出連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快、精度高、節(jié)能的特點(diǎn)。裝置模擬有功負(fù)載可以替代阻性負(fù)載滿(mǎn)足各種電源類(lèi)產(chǎn)品如穩(wěn)壓電源、UPS、消防應(yīng)急電源、直流電源、充電器、發(fā)電機(jī)等的老化與試驗(yàn)；模擬純?nèi)莞行詿o(wú)功、純諧波、基于有功或無(wú)功基波的諧波滿(mǎn)足有源電力濾波器及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的檢驗(yàn)、測(cè)試、老化等；同時(shí)將有功無(wú)污染的回饋電網(wǎng)，具有有功不平衡、無(wú)功、諧波次數(shù)、幅值、相位等可調(diào)節(jié)的編程特性。裝置的功能可靠、靈活、實(shí)用、高效節(jié)能達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。

5 結(jié)論

本文立足于國(guó)內(nèi)外電子負(fù)載的現(xiàn)狀，基于人機(jī)界面，模擬、回饋雙平臺(tái)模塊架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種適用于電能質(zhì)量、電力產(chǎn)品等試驗(yàn)、測(cè)試的新型的能量回饋式可編程電子能饋負(fù)載裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，可將裝置與試品串聯(lián)或并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功、諧波的模擬。經(jīng)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的裝置使用靈活，使用電壓范圍寬廣?？苫诙鄠€(gè)單元對(duì)并聯(lián)擴(kuò)展成較大容量，接收上位主機(jī)的監(jiān)控，既能實(shí)現(xiàn)容量的擴(kuò)展，又能滿(mǎn)足試品對(duì)負(fù)載的精度要求，實(shí)現(xiàn)多級(jí)試驗(yàn)。經(jīng)變壓器耦合能滿(mǎn)足高電壓電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)品的測(cè)試，同時(shí)節(jié)約有功，減少電網(wǎng)容量占用。本問(wèn)所設(shè)計(jì)的裝置較國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品在功能模擬上更為完善，精度較高，有著很高的性?xún)r(jià)比和廣泛應(yīng)用前景。

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