孫文寶 張?zhí)旄?/p>

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

隨著大量終端開關(guān)電源、整流設(shè)備、變頻器和軟啟動(dòng)器等非線性負(fù)載在電力電網(wǎng)中的使用以及太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電并網(wǎng)的運(yùn)行，電網(wǎng)中及終端配電端各次諧波電流、電壓含有率和電流、電壓總畸變率均在不斷升高。而這些非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波首要影響的就是配電網(wǎng)終端的配電設(shè)備。由于這些諧波會(huì)影響用電設(shè)備及電力配電系統(tǒng)的健康平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)此GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對(duì)電網(wǎng)公用連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入諧波電壓、諧波電流限值[1]做了明確規(guī)定。同時(shí)為了保證配電設(shè)備的安全使用，在GB/T 15576—2020《低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置》、Q/GDW 12127—2021《低壓開關(guān)柜技術(shù)規(guī)范》、JB/T8456—2017《低壓直流成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》、GB/T14048.2—2008 的“斷路器抗擾度試驗(yàn)”中都做了諧波電流試驗(yàn)的相關(guān)要求。為了解決低壓電器檢測(cè)領(lǐng)域中諧波電流輸出精度和穩(wěn)定度無(wú)法完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求且不能精準(zhǔn)采集的問題，該文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于諧波電流試驗(yàn)的要求和以前試驗(yàn)系統(tǒng)存在的問題，提出了一種新的低壓電器諧波電流試驗(yàn)系統(tǒng)方案。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，要想得到標(biāo)準(zhǔn)的諧波電流波形，就要通過降低均方根值得到較高的峰值系數(shù)，峰值系數(shù)為電流峰值與均方根值之比[2]。由此可解決各次諧波分量與峰值系數(shù)的協(xié)同性、諧波發(fā)生后波形畸變及離散問題，研發(fā)適合常見標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的電流諧波發(fā)生裝置。

目前，諧波源通常由如下四大模塊構(gòu)成，即電源輸入電路、諧波發(fā)生裝置電路、信號(hào)中央處理電路和數(shù)據(jù)采集電路。標(biāo)準(zhǔn)GB/T14048.2—2008 中指出，試驗(yàn)諧波電流可由晶閘管、飽和鐵心的電源、可編程供電的電源或其他適當(dāng)?shù)碾娫串a(chǎn)生[2]。該文方案主要從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款及試驗(yàn)實(shí)際需求出發(fā)，在低壓電器大電流試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合多路相同的諧波發(fā)生原理電路，產(chǎn)生大范圍的諧波電流，設(shè)計(jì)諧波電流的產(chǎn)生主要是使晶閘管結(jié)合電容、電感，從而激發(fā)出與輸入信號(hào)振幅、頻率相應(yīng)的諧波信號(hào)。改方法研制的諧波源具有體積小、成本低、諧波輸出范圍廣、操作方便、調(diào)節(jié)速度快及可模塊化組合等優(yōu)點(diǎn)，容易被低壓電器檢測(cè)試驗(yàn)室和生產(chǎn)商接收。

改進(jìn)后的該方案諧波發(fā)生裝置電路結(jié)構(gòu)包括諧波電流產(chǎn)生電路模塊（主電路，如圖1 所示）、驅(qū)動(dòng)放大電路模塊、電流中央控制電路模塊、命令電流計(jì)算模塊、電流采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊和裝置的電源輸入模塊6 大部分組成。其中驅(qū)動(dòng)放大電路模塊、電流中央控制電路模塊、命令電流計(jì)算模塊組成了諧波試驗(yàn)系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)處理單元。命令電流計(jì)算電路的主要目的是將輸入端輸入的諧波指令進(jìn)行接受分析和計(jì)算處理，使其能根據(jù)實(shí)際意圖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流控制命令信號(hào)。電流中央控制電路的作用是根據(jù)命令電流計(jì)算電路分析并計(jì)算出電流命令信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并同驅(qū)動(dòng)放大電路模塊產(chǎn)生實(shí)際所需的諧波電流值。

圖1 諧波電流產(chǎn)生電路（主電路）示意圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)分析

2.1 采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊

一般試驗(yàn)中使用的諧波源輸出最大諧波電流值小且諧波次數(shù)低，沒有反饋信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，輸出電流準(zhǔn)確度低，電流發(fā)生裝置電流諧波源未與測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合在一起，采集及自動(dòng)化分析程度低，而且設(shè)備操作煩瑣。該文方案最大的改進(jìn)是在之前配備的單獨(dú)采集設(shè)備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上融合了新的采集系統(tǒng)，組成了電流采集分析反饋調(diào)節(jié)電路模塊，如圖2 所示。加入電流采集分析反饋調(diào)節(jié)電路模塊后，就可以實(shí)時(shí)采集主電路發(fā)出的實(shí)際電流信號(hào)，與指令電流信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析后，產(chǎn)生變差信號(hào)，并對(duì)指令電流計(jì)算重新做出微調(diào)，使諧波發(fā)生裝置單路輸出時(shí)產(chǎn)生的諧波電流精度更高。當(dāng)多次諧波同時(shí)投入時(shí)，可以更及時(shí)地采集終端各次諧波電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)整，避免諧波源在多次諧波投入后，彼此諧波相互疊加的影響，使調(diào)控更精準(zhǔn)、及時(shí)。綜上所述，電流采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊的意義在于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為系統(tǒng)的控制和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集分析及系統(tǒng)控制

該系統(tǒng)根據(jù)諧波電流檢測(cè)到的命令電流信號(hào)，及時(shí)、精準(zhǔn)地控制逆變橋控制計(jì)算邏輯和濾波電路模塊開關(guān)器件的動(dòng)作，使實(shí)際輸出諧波電流能夠?qū)崟r(shí)圍繞命令電流左右震蕩，不會(huì)偏差過大，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和輸出效率。其中，最重要的是裝配的諧波電流輸出采集軟件。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993 附錄D 的要求，諧波測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度推薦A、B 兩級(jí)[1]。為了能給試驗(yàn)試品提供更精確的諧波電流值，該文系統(tǒng)要求采集及分析精度為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A 級(jí)，測(cè)量頻率范圍為0～2500Hz，測(cè)量相角誤差不大于±5°/±1°×h。當(dāng)諧波電壓大于等于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1%時(shí)，電壓測(cè)量精度為5%；當(dāng)諧波電壓小于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1%時(shí)，電壓測(cè)量精度為0.05%；當(dāng)諧波電流大于等于額定電流3%時(shí)，電流測(cè)量精度為5%；當(dāng)諧波電流小于等于額定電流3%時(shí)，電流測(cè)量精度為0.15%。為了使采集數(shù)據(jù)的精度更高，經(jīng)經(jīng)驗(yàn)分析可知，在電網(wǎng)諧波條件下，電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）的測(cè)量誤差及相角誤差都會(huì)明顯變大。為了解決諧波條件下測(cè)量誤差偏大的問題，該文對(duì)輸出的諧波進(jìn)行了剝離整理，將規(guī)律諧波進(jìn)行分段采集后再整合計(jì)算，得到了符合預(yù)期目標(biāo)的采集分析前端系統(tǒng)。

該方案中最重要的是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的控制處理。電流中央控制電路模塊在該試驗(yàn)系統(tǒng)方案中占據(jù)核心位置，由2 個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制處理結(jié)構(gòu)組成，分別是諧波電流單元控制和諧波電壓?jiǎn)卧刂啤? 個(gè)獨(dú)立的電流、電壓控制單元采用經(jīng)典的PI（比例積分）控制、RP（重復(fù)）控制并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合而成。PI 控制根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的誤差，利用比列、積分計(jì)算控制量，操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)偏差響應(yīng)周期短且動(dòng)態(tài)性能佳。比列、積分2 種控制能夠相互協(xié)調(diào)，優(yōu)化系統(tǒng)的處理和控制。RP 控制是在系統(tǒng)周期不變的前提下，將上一周期的數(shù)據(jù)控制誤差直接挪用到此時(shí)處理的控制量生成中，適合循環(huán)性信號(hào)特性強(qiáng)的追蹤處理和控制。在諧波試驗(yàn)中，為了更精準(zhǔn)、高效地測(cè)出試品的相應(yīng)性能，給定的諧波信號(hào)是周期的，諧波的時(shí)間分散性及不確定度高，利用RP 控制能進(jìn)一步縮小試驗(yàn)過程中諧波電流的調(diào)節(jié)時(shí)間及靜態(tài)偏差。

復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其中的PI 和RP 控制器分別如公式（1）、公式（2）所示。

圖3 復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)PI 和RP 并聯(lián)控制原理，跟蹤誤差與給定的關(guān)系特征方程[3]如公式（3）、公式（4）所示。

由公式（3）、公式（4）可知，PI 控制的特征方程[3]為Δ1=1+z-1D1（z）Gp（z）=0，表示PI 控制的穩(wěn)定性依據(jù)。

RP控制的特征方程[3]為，表示PI 和RP 并聯(lián)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的又一個(gè)判據(jù)。

因此在試驗(yàn)系統(tǒng)的控制中加入PI 和RP 并聯(lián)控制，響應(yīng)速度比其他控制更快，對(duì)干擾的抵消效果也具有顯著效果。利用PI 和RP 并聯(lián)控制可以更好地控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。與單獨(dú)的PI 或RP 控制器相比，PI 和RP 并聯(lián)控制能更好地適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境。由于PI 控制器和RP 控制器的系數(shù)都是比較容易設(shè)置和調(diào)節(jié)的，因此還可根據(jù)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境變化，對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)形成

通過反向并聯(lián)的晶閘管結(jié)合電容、電感，使輸出最大500A，方案設(shè)計(jì)的諧波發(fā)生裝置可滿足諧波試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)要求。通過反饋調(diào)節(jié)模塊，使系統(tǒng)輸出更穩(wěn)定，更能適應(yīng)復(fù)雜的試驗(yàn)環(huán)境。通過PI、RP 控制算法的融合，使系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度更高，輸出的諧波參數(shù)更純，無(wú)帶出其他次雜波的現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)系統(tǒng)主要功能驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)輸出最大諧波電流范圍驗(yàn)證

系統(tǒng)由最大諧波電流輸出為250A 的2 臺(tái)設(shè)備組合而成，當(dāng)通常試驗(yàn)需求電流范圍為250A 以下時(shí)，可以用其中任意一臺(tái)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，其精度比并聯(lián)的2 臺(tái)設(shè)備更高.而當(dāng)試驗(yàn)所需電流范圍超過一臺(tái)限值時(shí)，可以同時(shí)將2 臺(tái)諧波源并聯(lián)運(yùn)行，得到大范圍電流參數(shù)（見表1、表2）。

表1 奇次諧波輸出記錄

表2 偶次諧波輸出記錄

4.2 系統(tǒng)輸出諧波電流的影響驗(yàn)證

加入采集分析/ 反饋調(diào)節(jié)電路模塊，并采用PI 和RP 并聯(lián)控制原理后，對(duì)系統(tǒng)輸出諧波電流的影響進(jìn)行驗(yàn)證。

首先，未加入采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊且未采用PI 和RP 并聯(lián)控制原理時(shí)，系統(tǒng)多次諧波同時(shí)投入輸出的諧波電流情況如圖4 所示。試驗(yàn)中對(duì)4 次、5 次、7 次、8次、10 次同時(shí)分別輸入22A、21A、21A、10A、11A 的諧波電流指令。從圖4 中可明顯看出，在指令次數(shù)諧波輸出的同時(shí)，會(huì)帶出大量的其他次（3、6、9 次）諧波。

圖4 改進(jìn)前多次諧波同時(shí)投入輸出情況

其次，加入采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊且采用PI 和RP 并聯(lián)控制原理時(shí)，系統(tǒng)多次諧波同時(shí)投入輸出的諧波電流情況如圖5、圖6 所示。同樣試驗(yàn)中對(duì)4 次、5 次、7次、8 次、10 次同時(shí)分別輸入22A、21A、21A、10A、11A的諧波電流指令。

圖5 改進(jìn)后多次諧波同時(shí)投入輸出情況

圖6 改進(jìn)后多次諧波同時(shí)投入輸出波形情況

系統(tǒng)改進(jìn)后可以不難發(fā)現(xiàn)，在指令次數(shù)諧波輸出的同時(shí)未引起其他次諧波的輸出，達(dá)到了理想的諧波輸出狀態(tài)。同時(shí)諧波電流輸出響應(yīng)時(shí)間減至小于10ms。

該文對(duì)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了多種類型的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表示，該文方案的技術(shù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理思路完全符合標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

諧波是電網(wǎng)的重要污染源之一，為了治理諧波，目前研發(fā)的設(shè)備越來(lái)越多，但治理諧波的試驗(yàn)設(shè)備市場(chǎng)還不夠豐富。該文方案為低壓電器相關(guān)諧波試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理算法提供了一種思路和建議，并對(duì)主要輸出數(shù)據(jù)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該文方案具有一定現(xiàn)實(shí)參考意義。