王 瓊，李 婧，劉 水

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330006）

0 引言

為保證電能表在諧波影響下的計(jì)量準(zhǔn)確，GB/T 17215.321《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表（1級(jí)和2級(jí)）》和GB/T 17215.322《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》規(guī)定了在有諧波情況下的準(zhǔn)確度試驗(yàn)、直流和偶次諧波影響試驗(yàn)、奇次諧波影響試驗(yàn)和次諧波影響試驗(yàn)方法及要求。其中有諧波情況下的準(zhǔn)確度試驗(yàn)僅考慮了含有5次諧波電壓和5次諧波電流的情況。R46國(guó)際建議在此基礎(chǔ)上，增加了方波影響試驗(yàn)、尖頂波影響試驗(yàn)和高次諧波影響試驗(yàn)，所規(guī)定的測(cè)試波形能更加全面的模擬電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況[1-3]。因此，需研制能滿足R46國(guó)際建議要求的諧波發(fā)生器。

1 基于DDS技術(shù)的諧波信號(hào)產(chǎn)生原理

目前諧波發(fā)生器的信號(hào)產(chǎn)生電路分為模擬信號(hào)產(chǎn)生電路和數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路。模擬信號(hào)產(chǎn)生電路是以模擬電路（如運(yùn)算放大器）為基礎(chǔ)而構(gòu)成的信號(hào)源，其特點(diǎn)是：采用電位器可實(shí)現(xiàn)頻率和相位的連續(xù)調(diào)節(jié)；穩(wěn)幅電路使得幅度有很高的穩(wěn)定性；調(diào)節(jié)相位時(shí)會(huì)對(duì)幅度有影響；相位及頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差；相位和頻率無法直接顯示；電路調(diào)試?yán)щy，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)程控[4-7]。數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生電路是以數(shù)字電路（例如計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器）為基礎(chǔ)而構(gòu)成的信號(hào)源，其特點(diǎn)是：頻率和相位的調(diào)節(jié)用計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)，所以不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但輸出幅度、頻率、相位的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；相位調(diào)節(jié)時(shí)不影響輸出幅度；與計(jì)算機(jī)接口方便，容易調(diào)試，工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。目前，諧波發(fā)生器常采用數(shù)字信號(hào)電路產(chǎn)生正工頻及各類諧波信號(hào)[8-10]。

產(chǎn)生工頻信號(hào)輸出的原理為：將1個(gè)周期的正弦波波形離散成N個(gè)點(diǎn)，以3 600點(diǎn)為例，每2個(gè)離散點(diǎn)間相差0.1°。將每個(gè)離散點(diǎn)號(hào)及其對(duì)應(yīng)角度的正弦值一一對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)在RAM中，離散點(diǎn)點(diǎn)號(hào)作為RAM的存儲(chǔ)地址，其對(duì)應(yīng)角度正弦值作為存儲(chǔ)數(shù)值。比如第1 點(diǎn)，地址為0001，其數(shù)值為Asin0.1；第k 點(diǎn)地址為：000k，其數(shù)值為Asin0.1 k。工作時(shí)CPU 將存儲(chǔ)在RAM中的數(shù)值按順序送到D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)，即離散點(diǎn)數(shù)值從RAM發(fā)送到D/A 的節(jié)拍頻率為:50 3 600=180 000 Hz。模擬信號(hào)再經(jīng)功率放大器輸出即可供檢定使用。

同樣的，輸出或疊加工頻整數(shù)倍頻率諧波也是將1個(gè)工頻周期的波形離散成3 600個(gè)點(diǎn)。將每個(gè)離散點(diǎn)號(hào)及其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值一一對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)在RAM中，離散點(diǎn)點(diǎn)號(hào)作為RAM的存儲(chǔ)地址，其對(duì)應(yīng)函數(shù)值作為存儲(chǔ)數(shù)值。第i點(diǎn)的數(shù)值為：

式中：mi為函數(shù)第i點(diǎn)的函數(shù)值；Ak為第k次諧波的幅值；jk為第k次諧波的初始相位角；k為大于1的正整數(shù)。

以上函數(shù)表示計(jì)算合成波形第i點(diǎn)的函數(shù)值的公式，就是將所需要疊加的各次諧波在第i點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行相加即可。由于工頻整數(shù)倍諧波的頻率為工頻信號(hào)頻率的整數(shù)倍，合成波形的包絡(luò)線周期與工頻波形周期相同，也就是用3 600個(gè)離散點(diǎn)就能全面準(zhǔn)確地代表合成波形。上述方法對(duì)于工頻整數(shù)倍的諧波是非常有效的，但是由于該方法需先數(shù)字合成諧波信號(hào)再放大，由于功放跟隨性限制，很難保證波形幅度和相位的準(zhǔn)確放大。

2 基于電力電子開關(guān)的諧波信號(hào)產(chǎn)生方法

如圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)給出的次諧波試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形，可知使標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的前二個(gè)周期導(dǎo)通，后二個(gè)周期截止即可到測(cè)試所需諧波信號(hào)。

圖1 次諧波試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形

如圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)給出的奇次試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形，可知使標(biāo)準(zhǔn)正弦波形在90°~180°之間導(dǎo)通，在270 °~360 °之間導(dǎo)通，在0 °~90 °之間截止，在180 °~270°之間截止即可得到測(cè)試所需諧波信號(hào)。

圖2 奇次諧波試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形

如圖3所示為標(biāo)準(zhǔn)給出的直流和偶次諧波試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形，可知使標(biāo)準(zhǔn)正弦波形在正半周導(dǎo)通，在負(fù)半周截止即可得到測(cè)試所需諧波信號(hào)。

圖3 直流和偶次諧波試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形

因此，在輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的電流源接入兩只電子開關(guān)（MOS管）支路，一條支路接電表的電流諧波回路，另一條支路接釋放回路。通過控制觸發(fā)信號(hào)，使得MOS管在需要的相位處導(dǎo)通或關(guān)斷，得到需要的波形，不需要的波形將在釋放回路中被旁路掉，其原理如圖4所示。

圖4 電流諧波轉(zhuǎn)換器原理

各類諧波信號(hào)產(chǎn)生的原理如下：用兩路電子開關(guān)對(duì)常規(guī)的電流源輸出的標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行切換；

1）一路電子開關(guān)在正弦波的前兩個(gè)周期截止，另一路接入被測(cè)電能表的電子開關(guān)在正弦波的前兩個(gè)周期導(dǎo)通，后兩個(gè)周期截止，形成次諧波，裝置實(shí)際產(chǎn)生的波形如圖5所示。

圖5 裝置產(chǎn)生的次諧波實(shí)測(cè)波形

2）一路電子開關(guān)在正弦信號(hào)90°~180°之間截止，在270 °~360 °之間截止，在0 °~90 °之間導(dǎo)通，在180°~270°之間導(dǎo)通；另一路電子開關(guān)在正弦信號(hào)90 °~180 °之間導(dǎo)通，在270 °~360 °之間導(dǎo)通，在0 °~90°之間截止，在180°~270°之間截止，形成奇次諧波，裝置實(shí)際產(chǎn)生的波形如圖6所示，諧波含量如表1所示。

圖6 裝置產(chǎn)生的奇次諧波實(shí)測(cè)波形

表1 奇次諧波實(shí)測(cè)波形的諧波含量

3）一路電子開關(guān)在正弦信號(hào)的正半周截止，負(fù)半周導(dǎo)通；另一路電子開關(guān)在正弦信號(hào)的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，形成直流偶次諧波，實(shí)際波形如圖7所示，諧波含量如表2所示。

圖7 裝置產(chǎn)生的直流和偶次諧波實(shí)測(cè)波形

表2 直流和偶次諧波實(shí)測(cè)波形的諧波含量

3 結(jié)語

本文提出的基于電力電子開關(guān)的諧波信號(hào)產(chǎn)生方法，利用電力電子器件的關(guān)斷波形的特性，對(duì)放大后的正弦信號(hào)，在設(shè)定的相位處關(guān)斷和閉合，以產(chǎn)生諧波；解決了傳統(tǒng)采用DDS技術(shù)合成諧波時(shí)波形放大后失真的問題。產(chǎn)生的諧波信號(hào)能滿足R46國(guó)際建議的要求，可用于智能電能表的諧波影響試驗(yàn)。

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