姜鈺梁，曹 鐵

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UPQC電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的研究

姜鈺梁1，曹 鐵2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢430064；2.武漢理工大學(xué)，武漢430063）

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）是具有綜合調(diào)節(jié)功能的串并聯(lián)補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置，它包含了串聯(lián)補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置和并聯(lián)補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置各自具備的特有功能，主要用于綜合解決多種電能質(zhì)量問題。本文在分析UPQC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了UPQC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路，對(duì)典型電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算方法及其軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。最后，將測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。

UPQC 電能質(zhì)量檢測(cè) TMS320F2812

0 引言

隨著配電系統(tǒng)中各類非線性負(fù)載的不斷增加，電能質(zhì)量正處于日益惡化的狀態(tài)，用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，因此對(duì)于如何讓配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量提高這一研究課題引起了較高的關(guān)注。一方面為了讓用戶端在使用敏感負(fù)載時(shí)可以得到高質(zhì)量的電能供應(yīng)，而另一方面為了防止用戶端由于使用大功率、非線性負(fù)載而造成各種電能質(zhì)量問題反饋回電網(wǎng)側(cè)，為了解決這兩者之間的電能質(zhì)量問題，可以在配電系統(tǒng)中的公共接點(diǎn)處安裝統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC），以保證整個(gè)配電及供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

UPQC電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器各部分的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析，當(dāng)檢測(cè)到電能質(zhì)量出現(xiàn)波形畸變時(shí)，做出報(bào)警提示并且對(duì)產(chǎn)生波形畸變?cè)蚣右苑治觯业揭鸩ㄐ位兊目赡芄收?，做出相?yīng)的調(diào)整控制。

本文采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2812來完成對(duì)UPQC各部分電能質(zhì)量的檢測(cè)系統(tǒng)。TMS320F2812主要功能是控制 A/D采樣和外圍器件的正常工作、完成數(shù)據(jù)處理和檢測(cè)參數(shù)的計(jì)算、保證鍵盤響應(yīng)、電能質(zhì)量參數(shù)顯示與存儲(chǔ)和系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)等諸多任務(wù)按時(shí)有序地完成。

1 UPQC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

UPQC主要由串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器構(gòu)成, 包含了串聯(lián)補(bǔ)償器和并聯(lián)補(bǔ)償器各自的優(yōu)點(diǎn)，能解決大多數(shù)的電能質(zhì)量問題。圖1和圖2分別給出了串聯(lián)補(bǔ)償器和并聯(lián)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 串聯(lián)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖

圖2 并聯(lián)補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖

普通用戶所使用的電網(wǎng)電壓基本上是為畸變后的三相不平衡系統(tǒng)，與理想的三相平衡的標(biāo)準(zhǔn)正弦用戶電壓相比，實(shí)際的電網(wǎng)電壓幅值與標(biāo)準(zhǔn)電壓的額定值是有一定差別。串聯(lián)補(bǔ)償器主要就是用于解決這一問題，它將標(biāo)準(zhǔn)的三相對(duì)稱正弦電壓值與實(shí)際檢測(cè)到的電壓值之差作為補(bǔ)償電壓的目標(biāo)值，然后可以利用三角波調(diào)制的方法產(chǎn)生PWM控制信號(hào)以控制IGBT的通斷，最終使串聯(lián)補(bǔ)償器產(chǎn)生和補(bǔ)償電壓的目標(biāo)值相同的電壓來完成電壓補(bǔ)償[1-3]。

并聯(lián)補(bǔ)償器相對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償器來說主要是用于完成對(duì)三相不平衡電流的補(bǔ)償。理想情況下的電網(wǎng)中的供電電流應(yīng)該為三相對(duì)稱的正弦有功電流，它的相位是與電網(wǎng)電壓的正序基波分量的相位相同。并聯(lián)補(bǔ)償器根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓正序基波分量，利用輸出功率與輸入功率平衡的基本原理，通過計(jì)算得到流過負(fù)載兩端的電流理論值，將其作為補(bǔ)償電流的目標(biāo)值，然后對(duì)電流使用滯環(huán)比較方式的PWM控制，最終完成無功電流補(bǔ)償[4-5]。

本文主要是對(duì) UPQC各部分電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的結(jié)果送入控制器，為UPQC完成后續(xù)控制打下基礎(chǔ)。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

本文硬件主要由模擬電路和數(shù)字電路兩大部分構(gòu)成。模擬電路主要用于完成對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的采集與調(diào)理。數(shù)字電路主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括參數(shù)計(jì)算、諧波分析、鍵盤、顯示、通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。其總體框圖如圖3所示，主要由檢測(cè)電路、THS1206信號(hào)采樣電路、DSP系統(tǒng)和人機(jī)交互四大部分組成。

2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用瑞士LEM公司生產(chǎn)的LV25-P型電壓互感器和LA125-P型電流互感器來完成互感器部分的核心電路設(shè)計(jì)。

LV25-P和LA125-P內(nèi)部結(jié)構(gòu)均是霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償電流型互感器，LV25-P原邊電流測(cè)量范圍是：-14 mA到+14 mA，LA125-P原邊電流測(cè)量范圍是：-200 A到+200 A；LV25-P副邊額定電流有效值為25 mA，LA125-P副邊額定電流有效值為125 mA。具體的三相電壓和電流互感器部分電路如圖4和圖5所示所示。

根據(jù)圖5的設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出電壓互感器電路的輸入電壓與輸出電壓之間的比例系數(shù)，以Vsa為例說明。四個(gè)200 kΩ/5 W的電阻并聯(lián)在互感器輸入端，則：

LV25-P的轉(zhuǎn)換率為2500:1000，因此，互感器內(nèi)部的輸出與輸入電流比為：

電壓互感器檢測(cè)電壓與輸出電壓之比：

圖5 電流互感器部分電路

根據(jù)圖5的設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出電流互感器電路的輸入電流與輸出電壓之間的比例系數(shù)，以i2a為例說明。LA125-P的轉(zhuǎn)換率為1:1000，因此，互感器內(nèi)部的輸出與輸入電流比為：

電流互感器被測(cè)電流與輸出電壓之比：

2.2 THS1206信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為了保證可以準(zhǔn)確采樣到高次諧波信號(hào)，用到的A/D不僅要求采樣精度較高且轉(zhuǎn)換速度要快。TMS320F2812芯片內(nèi)部A/D在采樣精度和采樣速度上都難以滿足本設(shè)計(jì)的需求，因此選用了TI公司生產(chǎn)的型號(hào)為THS1206的12位4通道高速A/D。THS1206是采用流水結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器，它主要用于儀器儀表、圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域[6,7]。本文需要對(duì)UPCQ四處三相電壓與電流各項(xiàng)電能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，因此整個(gè)系統(tǒng)需要使用6片THS1206芯片。由于每片THS1206相關(guān)電路的設(shè)計(jì)大致相同，這里只介紹其中一片THS1206的硬件電路設(shè)計(jì)。

THS1206的信號(hào)輸入范圍為+1.5 V到+3.5 V之間，內(nèi)部使用+1.5 V和+3.5 V的雙基準(zhǔn)電壓源。經(jīng)過傳感器輸出的信號(hào)的峰峰值若不在+1.5 V到+3.5 V之間，就需要利用信號(hào)調(diào)理電路將輸入到A/D中的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。利用兩個(gè)TL084將-3 V到+3 V的輸入信號(hào)調(diào)理成+l.5 V到+3.5 V之間的信號(hào)，輸入到THS1206進(jìn)行轉(zhuǎn)換。放大器正向輸入端的-2.5 V電壓由THS1206的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出REFOUT經(jīng)OP07反相得到，4通道A/D接口電路如圖6所示。

圖6 4通道A/D硬件設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)測(cè)試部分將Fluke 43B手持式三相電能質(zhì)量分析儀所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)作為參考值。Fluke 43B帶有光隔離RS232可以將測(cè)量到數(shù)據(jù)與圖形上傳到上位機(jī)中。

對(duì)系統(tǒng)測(cè)試包括檢測(cè)電路測(cè)試和信號(hào)調(diào)理電路測(cè)試，檢測(cè)電路是用于完成對(duì)于電壓和電流檢測(cè)信號(hào)的衰減，主要是測(cè)試電壓和電流互感器的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是否達(dá)到了前文檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中所提到的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的衰減倍數(shù)；信號(hào)調(diào)理電路是用于將互感器輸出信號(hào)調(diào)理成可以滿足A/D輸入范圍的信號(hào)。

3.1 檢測(cè)電路測(cè)試

對(duì)檢測(cè)電路的測(cè)試使用1臺(tái)臺(tái)式電腦和1個(gè)電熱燒水壺同時(shí)作為檢測(cè)負(fù)載，利用Fluke 43B檢測(cè)到電壓互感器輸入電壓與輸出電壓的波形如圖7和圖8所示。

本設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路實(shí)際輸入范圍是-500 V到+500 V，輸出范圍是：-2.5 V到+2.5 V。輸入電壓與輸出電壓需滿足檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要求：

根據(jù)圖7和圖8可以清楚觀察到，輸入電壓有效值為223.9 V的正弦信號(hào)信號(hào)，電壓檢測(cè)電路輸出電壓有效值為1.122 V。輸入與輸出滿足式（6）的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果表明電壓檢測(cè)電路達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)圖9和圖10可以清楚觀察到，輸入電流有效值為13.88 A的正弦信號(hào)信號(hào)，電流檢測(cè)電路輸出電壓有效值為0.695 V。輸入與輸出滿足式（7）的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果表明電流檢測(cè)電路達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖7 電壓檢測(cè)電路輸入波形

圖8 電壓檢測(cè)電路輸出波形

本設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路實(shí)際輸入范圍是-60 A到+60 A，輸出范圍是：-3 V到+3 V。輸入電流與輸出電壓需滿足檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要求：

圖10 電流檢測(cè)電路輸出波形

3.2 信號(hào)調(diào)理電路測(cè)試

圖11 調(diào)理電路輸入波形

圖12 調(diào)理電路輸出波形

對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的測(cè)試，使用函數(shù)發(fā)生器輸入峰值為2.5 V、頻率為50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，利用Fluke 43 B檢測(cè)到調(diào)理電路輸入信號(hào)的波形如圖11所示，信號(hào)調(diào)理電路的輸出波形如圖12所示。

本設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的輸入范圍是-3 V到+3 V，輸出范圍是+1.5 V到+3.5 V。輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系應(yīng)滿足如下的設(shè)計(jì)要求：

根據(jù)圖11和圖12可以清楚觀察到，原本峰峰值為-2.5 V到+2.5 V的正弦信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，輸出為+1.67 V到+3.33 V。輸入與輸出滿足式（8）的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果表明信號(hào)調(diào)理電路達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要是為了完成對(duì)UPQC各部分電能質(zhì)量的檢測(cè)，包括：頻率檢測(cè)、電流電壓有效值檢測(cè)、各項(xiàng)功率參數(shù)的檢測(cè)、諧波檢測(cè)和三相不平衡檢測(cè)。在通過設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試與測(cè)試發(fā)現(xiàn)整個(gè)電路設(shè)計(jì)從傳感器輸出的信號(hào)，到送入A/D采樣到的信號(hào)均較為準(zhǔn)確，可以用于對(duì)于UPQC電能質(zhì)量參數(shù)的檢測(cè)。

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Research on Power Quality Monitoring System in Unified Power Quality Controller

Jiang Yuliang1, Cao Tie2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technologe,Wuhan 430064, China）

TP 332

A

1003-4862（2017）11-0038-05

2017-08-15

姜鈺梁(1987-)，女，工程師。研究方向：檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置。