許少倫， 孫 佳， 徐青菁， 姜建民， 蘭天翼， 張曉斌

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

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電能質(zhì)量綜合實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

許少倫， 孫 佳， 徐青菁， 姜建民， 蘭天翼， 張曉斌

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240)

近年來，風(fēng)電、光伏發(fā)電等大量分布式電源逐步接入電網(wǎng)，與此同時(shí)，用戶用電需求也在大大提升，電力系統(tǒng)的這些變化都對電網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求。針對在校的本科生和研究生搭建一個(gè)電能質(zhì)量綜合實(shí)驗(yàn)平臺，并基于該平臺開展相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)課程，能使學(xué)生的能力和智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢更緊密的結(jié)合。首先介紹了電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)平臺的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，然后著重闡述了平臺的各項(xiàng)功能及具體實(shí)現(xiàn)過程，最后結(jié)合基于該平臺可開展的各類實(shí)踐內(nèi)容，介紹了電能質(zhì)量綜合實(shí)驗(yàn)平臺在本科生與研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。

電氣參數(shù)測量； 諧波治理； 無功補(bǔ)償； 電能質(zhì)量； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

隨著電氣與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，接入電網(wǎng)的負(fù)荷不僅在數(shù)量上飛速提升，而且在種類與功能上也不斷的多樣化、復(fù)雜化。這些變化在對電網(wǎng)承載能力提出巨大挑戰(zhàn)的同時(shí)，也對電能質(zhì)量有了更高的要求。電能質(zhì)量主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、諧波污染、瞬態(tài)和暫態(tài)過電壓等方面。其中，諧波污染主要是由非線性負(fù)載產(chǎn)生。當(dāng)大量的非線性負(fù)載接入電網(wǎng)后，如：具有整流、逆變等功能的電力電子設(shè)備、變壓器、電弧焊機(jī)、電弧爐等，它們能夠?qū)⒒ɑ?，而畸變的波形中則含有大量的諧波，通常是奇次諧波，這些諧波在回饋到電網(wǎng)中就會污染整個(gè)系統(tǒng)[1]。諧波的主要危害有：① 增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能，進(jìn)而造成很高的過電流或過電壓，引發(fā)事故。② 增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率和設(shè)備利用率。③ 使旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電容器、變壓器等電氣設(shè)備運(yùn)行不正常，加速絕緣老化，從而縮短其使用壽命。④ 使繼電保護(hù)、自動裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正?；蛘卟荒苷幼骰虿僮?。⑤ 使測量和計(jì)量儀器、儀表不能正常動作或者計(jì)量。⑥ 干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至破壞通信設(shè)備[2]。

本系統(tǒng)以施耐德電氣贈送的APF、變頻器、PLC、HMI、PM850等主體設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)一步擴(kuò)展，搭建一個(gè)綜合的電氣測量和電能質(zhì)量分析平臺。該平臺能夠模擬配電網(wǎng)諧波源，通過補(bǔ)償裝置對電網(wǎng)諧波進(jìn)行治理，并以此為核心，利用該平臺開展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)及研究。

1 實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)為3個(gè)開關(guān)柜，分別為主控柜、有源功率濾波器(Active Power Filter，APF)及無功補(bǔ)償柜、負(fù)載柜。

1.1 主控柜

主控部分是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的控制中心，主控柜采用施耐德電氣的HMI、PLC及監(jiān)控主機(jī)、NI Labview數(shù)據(jù)采集卡等實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的就地采集控制和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2套測量端子，用于獲取一次系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電流、電壓信息。其中1套供數(shù)據(jù)采集卡用，在Labview中可以進(jìn)行顯示處理；另1套供各個(gè)電力參數(shù)儀表PM850、電流表和電壓表用，其數(shù)據(jù)可以通過通信總線傳輸至觸摸屏進(jìn)行顯示處理。

在電氣參數(shù)測量的基礎(chǔ)上，可以利用Labview設(shè)計(jì)不同的算法對這些傳輸至數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而生成控制APF和晶閘管開關(guān)電容(Thyristor Switched Capacitor， TSC)的指令，并發(fā)送給PLC。PLC接收到指令后會通過總線下發(fā)動作命令，從而實(shí)現(xiàn)不同場景下的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

1.2 APF及無功補(bǔ)償柜

APF及無功補(bǔ)償柜采用施耐德電氣的有源電力濾波器和EPCOS 的TSC組以及功率因數(shù)補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)對配電線路當(dāng)中的三大類非線性負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理。

1.2.1 有源電力濾波器

在電力系統(tǒng)中，可能存在各種各樣的非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)載的電壓與電流之間的關(guān)系是非線性的，這直接導(dǎo)致了電流中諧波成分的出現(xiàn)。有源電力濾波器通過動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ螂娋W(wǎng)中注入反向諧波，從而對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。其工作的基本思想如圖2所示。

現(xiàn)代有源電力濾波器系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路。指令電流運(yùn)算電路的核心是諧波檢測，給出補(bǔ)償電流的指令值；而其他三個(gè)部分組成的補(bǔ)償電流發(fā)生電路則補(bǔ)償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用PWM變流器[3]。

圖2 APF工作示意圖

檢測、控制電路是APF的關(guān)鍵部分，它會對電網(wǎng)負(fù)載中的諧波電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，得到相對應(yīng)的補(bǔ)償控制指令，進(jìn)而來控制PWM逆變器產(chǎn)生相對應(yīng)的補(bǔ)償電壓或者補(bǔ)償電流。因此，如何才能迅速、準(zhǔn)確地把供電系統(tǒng)中諧波電壓、諧波電流以及無功成分檢測出來，進(jìn)行實(shí)時(shí)的動態(tài)補(bǔ)償是很關(guān)鍵的問題。產(chǎn)生補(bǔ)償指令的算法可分為頻域法和時(shí)域法兩種，本實(shí)驗(yàn)采用的是時(shí)域法[4]。

有源電力濾波器與無源濾波器等設(shè)備配合使用也是一種十分有效的濾波方法，如果配合得當(dāng)可以獲得更佳的效果[5]。在本實(shí)驗(yàn)中，為了簡化電路結(jié)構(gòu)，便于同學(xué)們理解，我們采用了單APF濾波方式。后期的進(jìn)階課程可以考慮將APF與其他設(shè)備配合起來使用。

1.2.2 無功補(bǔ)償

該部分主要包括TSC。與機(jī)械投切電容器相比，晶閘管的開、關(guān)無觸點(diǎn)，其操作壽命長，投切時(shí)刻可以精確控制。TSC 能快速跟蹤沖擊負(fù)荷的突變 , 隨時(shí)保持最佳饋電功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，減小電壓波動，提高電能質(zhì)量，節(jié)約電能。

TSC系統(tǒng)是一個(gè)對供電網(wǎng)絡(luò)波動無功進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償?shù)南鄬Κ?dú)立系統(tǒng)，其應(yīng)用形式有很大的靈活性[6-7]。其工作原理如圖3所示。

通過控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)接入電網(wǎng)的電容器的個(gè)數(shù)，對電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行有級調(diào)節(jié)。對于剩下的無功，可以通過APF進(jìn)行補(bǔ)償。這種APF+TSC的調(diào)節(jié)方式可以有效減小APF的容量，節(jié)約成本[8-9]。

圖3 TSC的工作原理圖

1.3 負(fù)載柜

負(fù)載柜包括電阻調(diào)壓電路、變頻控制、感性負(fù)荷三部分。采用三相調(diào)壓整機(jī)實(shí)現(xiàn)電阻調(diào)壓，采用施耐德電氣的變頻器控制發(fā)電機(jī)組，同時(shí)采用感性負(fù)荷來模擬多類型的負(fù)荷。其中電阻調(diào)壓和變頻器之間互鎖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的兩種方式的控制。利用調(diào)節(jié)接入電阻、電抗的數(shù)值和通過變頻器改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變平臺電路中的電流諧波含量、無功分布等，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)中諧波、無功情況的模擬。

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

主要由上位機(jī)中的Vijeo Citect來實(shí)現(xiàn)對PLC、PM850、APF、ATV71等設(shè)備的監(jiān)控?？梢栽赩ijeo Citect中組態(tài)監(jiān)控界面來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)電壓、電流、功率等電氣量參數(shù)的顯示、PLC、APF以及ATV71 的遠(yuǎn)程控制。

2 實(shí)驗(yàn)平臺功能及實(shí)現(xiàn)

該電能質(zhì)量綜合實(shí)驗(yàn)平臺包含6大部分：Labview數(shù)據(jù)采集部分，PLC主控部分、無功補(bǔ)償及有源濾波部分、電機(jī)變頻控制部分、電阻調(diào)壓部分、感性負(fù)荷部分，功能強(qiáng)大，可為電氣工程專業(yè)的本科教學(xué)和研究生科研服務(wù)，具有較好的應(yīng)用研究意義。具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1) 電氣參數(shù)測量(電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、諧波、閃變、三相不平衡等)。

(2) 諧波模擬及抑制(對典型諧波源進(jìn)行模擬，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后采取措施抑制諧波。采用了有源電力濾波器、晶閘管投切電容器(串7%或14%電抗器)的組合方法進(jìn)行諧波抑制和動態(tài)無功補(bǔ)償)。

(3) 電機(jī)控制(電機(jī)的變頻控制及分析)。

(4) PLC集成控制(采用Modbus協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行變頻器、APF、調(diào)壓器等現(xiàn)場設(shè)備的控制以及和監(jiān)控主機(jī)的遠(yuǎn)程控制)。

(5) 系統(tǒng)組態(tài)控制(采用VijeoCitect進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控組態(tài))。

(6) PLC和Labview的通信控制。

下面以其中2個(gè)主要功能為例闡述其實(shí)現(xiàn)步驟。

2.1 電氣參數(shù)測量

(1) 方案一。從系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集下來的電氣量可以通過數(shù)據(jù)采集卡，集中匯總到上位機(jī)中，用戶能夠使用Labview軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。如圖4所示。

圖4 電氣參數(shù)采集界面

(2) 方案二。通過電力參數(shù)儀表PM850或者開關(guān)柜面板上的電流表、電壓表可以觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣量。同時(shí)，可通過Modbus總線將PM850中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸至人機(jī)界面，可方便地在相應(yīng)監(jiān)視界面上看到全系統(tǒng)各部分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，使用戶對系統(tǒng)狀況有更為直觀的了解。除此之外，如果在上位機(jī)中用組態(tài)軟件編寫好了相應(yīng)控制界面，也可以代替觸摸屏，在電腦上完成所有的操作，并達(dá)到同樣的效果。

2.2 諧波模擬及抑制

本平臺以三相四線制有緣電力濾波器(APF)和晶閘管投切電容器組(TSC)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)諧波和無功的雙重補(bǔ)償。諧波抑制主要由APF來完成。TSC承擔(dān)補(bǔ)償大部分的無功負(fù)荷，由于以往的電容器組補(bǔ)無功具有一定梯度，存在多投過補(bǔ)與少投欠補(bǔ)的問題；APF負(fù)責(zé)對兩級梯度間的小部分無功進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對無功的無級補(bǔ)償，精確性得到極大改善。相比普通的電容器組，通過晶閘管投切使得控制性能優(yōu)化，在裝置發(fā)生故障或產(chǎn)生諧振時(shí)能夠迅速將電容器組投退，響應(yīng)速度快，可靠性高，同時(shí)籍由在電容器組上面串接電抗器的方式能夠?qū)⒀b置的諧振頻率設(shè)置為電網(wǎng)較大諧波分量頻率的非整數(shù)倍，避免引起電網(wǎng)與裝置的諧振，抑制電容器組投切時(shí)的涌流以及系統(tǒng)諧波放大現(xiàn)象[10-11]。它較傳統(tǒng)的單純TSC補(bǔ)償更精確，較單一的APF 補(bǔ)償更經(jīng)濟(jì)安全，完全符合國家所倡導(dǎo)的“節(jié)能增效，綠色發(fā)展”的理念。

利用Labview中設(shè)計(jì)相應(yīng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)乃惴?，根?jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果得到所應(yīng)該采取的補(bǔ)償措施并發(fā)送給PLC，PLC在得到用戶指令之后，根據(jù)已有的補(bǔ)償方案對諧波進(jìn)行抑制，提高功率因數(shù)。

3 平臺在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

電能質(zhì)量綜合實(shí)驗(yàn)平臺功能豐富，可為電氣工程專業(yè)的同學(xué)開展以下實(shí)踐課程。

3.1 配電系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)

通過幾個(gè)典型的開關(guān)柜來模擬配電系統(tǒng)，使學(xué)生對配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有更加直觀深入的認(rèn)識。

(1) 通過查看系統(tǒng)的一次系統(tǒng)接線圖、二次系統(tǒng)電路圖，學(xué)習(xí)認(rèn)識配電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；

(2) 負(fù)載切換操作。按照正確的順序依次打開、關(guān)閉各部分的開關(guān)，通過開關(guān)柜表面的電力參數(shù)表來觀察不同負(fù)載下電壓、電流情況，并進(jìn)行分析。

3.2 電氣參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)

通過在更貼近實(shí)際情況的高電壓、大電流的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行電氣參數(shù)的測量，使學(xué)生能夠更好地掌握電氣測量的技術(shù)和方法。

(1) 熟悉并掌握電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)電氣參數(shù)的測量方法。

(2) 熟悉并掌握Labview軟件，搭建基于LabVIEW的電氣量測量的硬件平臺，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、頻率測量、有效值測量、三相不平衡度測量、功率測量、諧波測量、閃變測量、數(shù)據(jù)存儲等模塊的搭建，并根據(jù)需要進(jìn)行測試。

3.3 電網(wǎng)諧波源模擬實(shí)驗(yàn)

通過模擬非線性負(fù)載，產(chǎn)生不同種類的諧波，并進(jìn)行治理，加強(qiáng)學(xué)生對諧波的原理及抑制的學(xué)習(xí)。

(1) 分別投入電阻、電動機(jī)、電抗器等負(fù)載，通過觀察相應(yīng)的電壓、電流波形，了解不同負(fù)載產(chǎn)生的諧波情況。

(2) 分別在不同的負(fù)載情況下投入APF，觀察其對諧波電流的抑制作用。

(3) 分別在不同的負(fù)載情況下同時(shí)投入APF和TSC，觀察其無功的補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

3.4 集成控制實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的控制部分以施耐德電氣的Premium PLC為核心，在該平臺上開展基于PLC的集成控制實(shí)驗(yàn)，可大大增強(qiáng)學(xué)生對電氣控制系統(tǒng)的認(rèn)識。

(1) 基于PLC和HMI的開關(guān)控制。在PLC上編寫開關(guān)控制程序，在HMI 上編寫控制界面，并通過總線實(shí)現(xiàn)在HMI上控制各個(gè)開關(guān)的投切。

(2) 異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC控制。在PLC上編寫程序，通過總線對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的調(diào)速控制[12～15]。

4 結(jié) 語

電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)平臺通過PLC控制、利用APF、TSC進(jìn)行諧波治理和無功補(bǔ)償，將PLC強(qiáng)大的邏輯功能與Labview的分析處理能力相結(jié)合，功能豐富，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、處理能力強(qiáng)、系統(tǒng)集成性高等特點(diǎn)。該平臺融合了工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備，能與實(shí)際工程緊密結(jié)合。同時(shí)，該平臺采用當(dāng)今比較新穎的APF與TSC配合補(bǔ)償無功的處理思路，是一種較新的試驗(yàn)方法，綜合體現(xiàn)了該平臺的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。

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Design and Application of Power Quality Comprehensive Experimental Platform

XUShao-lun,SUNJia,XUQing-jing,JIANGJian-min,LANTian-yi,ZHANGXiao-bin

(School of Electronic Information and electrical engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With wind power, photovoltaic power generation and other large distributed power connected to the grid, and the increasing of the user demand for electricity, higher requirements will be put forward for power quality. Building power quality comprehensive experimental platform can make students' studying connect with the development trend of smart grid. Firstly, this paper presented the structure and working principle of power quality experimental platform. Besides, it explained the function and implementation of the platform in detail. Finally, it introduced the application in experimental teaching combining the experimental content based on the platform.

electrical parameter measurement; harmonic control; reactive power compensation; power quality; experimental teaching

2015-01-24

上海交通大學(xué)特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

許少倫(1978-)，男，山東臨沂人，工程師，實(shí)驗(yàn)中心主任，主要研究方向:電力系統(tǒng)自動化、SCADA系統(tǒng)技術(shù)。

Tel.:021-34205720; E-mail:slxu@sjtu.edu.cn

TM 93

A

1006-7167(2015)08-0073-04