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        UPQC電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的研究

        2017-12-14 01:22:59姜鈺梁
        船電技術(shù) 2017年11期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)償器調(diào)理互感器

        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)。

        [1] 李勛.統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器 UPQC 的分析和控制:[博士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué)圖書館, 2006.

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        [7] 劉昕. 基于DSP的氣體超聲測(cè)量?jī)x的開發(fā)與研制:[碩士學(xué)位論文]. 河北:河北工業(yè)大學(xué)圖書館, 2007.

        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。

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