適用于新能源并網(wǎng)的CVT諧波測(cè)量裝置研究

宋雪瑩 譚忠富

摘 要： 隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)等級(jí)不斷升高，在接入系統(tǒng)高壓側(cè)時(shí)不可避免地引入諧波。針對(duì)電容式電壓互感器（CVT）應(yīng)用于高壓側(cè)諧波測(cè)量的實(shí)際需求，這里通過(guò)對(duì)適用于CVT諧波測(cè)量方法進(jìn)行理論分析，并設(shè)計(jì)分析相應(yīng)的CVT諧波測(cè)量裝置驗(yàn)證方法的可行性。在CVT的分壓電容和中間變壓器的接地支路分別接入高精密鉗型電流互感器，在得出電流參數(shù)值基礎(chǔ)上，根據(jù)基爾霍夫定律推導(dǎo)得出CVT一次側(cè)諧波電壓參數(shù)。計(jì)算結(jié)果可經(jīng)以太網(wǎng)或USB 2.0接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。設(shè)計(jì)CVT諧波分析軟件完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出、顯示以及存盤(pán)等操作。試驗(yàn)結(jié)果證明了所采用方法的正確性、設(shè)計(jì)方案的可行性以及CVT諧波測(cè)量裝置的有效性。

關(guān)鍵詞： CVT； LabVIEW； 諧波測(cè)量； 相量擬合； 諧波數(shù)據(jù)采集； DSP； 并網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN245?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）08?0116?05

Abstract： As the grid connection level of wind power and photovoltaic power generation systems increases constantly， harmonics are inevitably introduced into the high voltage side of the access system. In allusion to the practical requirement of applying the capacitor voltage transformer （CVT） to harmonic measurement in the high voltage side， theoretical analysis of method suitable for CVT harmonic measurement is performed， and the feasibility of the verification method for CVT harmonic measurement device is analyzed. The voltage?dividing capacitor of CVT and the grounding branch circuit of intermediate transformer are respectively connected to the high?precision pincer?shape current transformer. On the basis of obtaining current parameters， the CVT harmonic voltage parameters on primary side are obtained according to the derivation with Kirchhoff law. The calculation results can be uploaded via Ethernet or USB 2.0 interface. The CVT harmonic analysis software was designed to complete the operations such as data export， display and saving. The test results proved the correctness of the method adopted in this paper， the feasibility of the design scheme and the effectiveness of the CVT harmonic measurement device.

Keywords： CVT； LabVIEW； harmonic measurement； phasor fitting； harmonic data acquisition； DSP； grid connection

0 引 言

近年來(lái)隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電不斷普及，其并網(wǎng)電壓等級(jí)也隨之不斷升高。風(fēng)能和太陽(yáng)能作為新能源并入電網(wǎng)過(guò)程中由于其中含有大量逆變整流設(shè)備，因此不可避免地在并網(wǎng)點(diǎn)高壓側(cè)引入諧波[1]。而目前國(guó)內(nèi)外在110 kV及以上電力系統(tǒng)中作為二次側(cè)采樣、測(cè)量和保護(hù)設(shè)備的互感器主要以CVT為主。該設(shè)備主要由分壓電容單元和類(lèi)似于電磁式電壓互感器單元（Potential Transformer，PT）組成，與傳統(tǒng)PT相比整套裝置體積小、絕緣性能好、價(jià)格相對(duì)便宜，但是考慮到CVT的寬頻傳輸特性，其在諧波分析方面遠(yuǎn)遜于傳統(tǒng)PT測(cè)量，同時(shí)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定：“電容式電壓互感器不能用于諧波測(cè)量?！盵2]

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)等新能源的大規(guī)模接入電網(wǎng)，首要解決的是CVT在諧波測(cè)量中存在的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)此國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者展開(kāi)相應(yīng)研究。其中文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)CVT完整的傳遞函數(shù)并在此基礎(chǔ)上通過(guò)仿真分析CVT關(guān)鍵參數(shù)對(duì)諧波傳遞的影響，為后續(xù)進(jìn)行諧波測(cè)量提供準(zhǔn)確的依據(jù)。文獻(xiàn)[4]提出一種基于CVT變比數(shù)據(jù)，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法相結(jié)合進(jìn)行CVT傳遞變比校正的方法。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]綜合考慮CVT的諧波特性以及諧波測(cè)量的試驗(yàn)誤差對(duì)比分析，提出一種諧波測(cè)試準(zhǔn)確度高且滿足國(guó)標(biāo)要求的設(shè)計(jì)思路。本文基于前人研究工作的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)一種適用于CVT諧波測(cè)量裝置，并通過(guò)相關(guān)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 CVT諧波測(cè)量方法

1.1 CVT的諧波測(cè)量方法理論分析

CVT的基本電路結(jié)構(gòu)主要包括高壓電容C1和中壓電容C2組成的分壓電容單元、中壓變壓器T、補(bǔ)償電抗器LC、二次側(cè)的阻尼器ZD等構(gòu)成的電磁單元，具體如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的CVT主要有兩種，分別為：速飽和型和諧振型。對(duì)于速飽和型CVT和諧振型CVT的諧波傳遞規(guī)律，即諧波信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的CVT電路結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生一定的畸變，影響其二次側(cè)輸出諧波幅值和相位，其與實(shí)際一次側(cè)諧波存在較大的誤差，無(wú)法真實(shí)反映當(dāng)前接入系統(tǒng)高壓側(cè)諧波情況。對(duì)此本文參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]中所提出的諧波測(cè)量方法，設(shè)計(jì)一種適用于CVT諧波測(cè)量的裝置，該裝置測(cè)量理論依據(jù)是在原有CVT的電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下，如圖1所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)得出式（1）和式（2），通過(guò)式（2）得到一次側(cè)各次諧波電壓[U1jhω1]：

式中：I2為中壓電容C2的接地電流相量；I1為高壓電容C1對(duì)應(yīng)的電流相量；[ω1]為系統(tǒng)工頻的角頻率，[ω1=2πf1]；h為諧波階次，通常諧波階次數(shù)為2～50次；在任何頻率下，其各次諧波電壓[U1]為中壓電容C2上[UC2]和高壓電容C1上[UC1]對(duì)應(yīng)階次諧波電壓相量之和。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的CVT產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中下端接線盒的中壓電容C2的接地點(diǎn)與電磁單元的接地點(diǎn)是相互獨(dú)立分開(kāi)。無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量得到I1參數(shù)值，通過(guò)分析其CVT的基本電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)基爾霍夫電流定律計(jì)算可得節(jié)點(diǎn)1的公式，如下：

式中，I3和I2可通過(guò)精密電流互感器獲得電流參數(shù)。由FFT分析計(jì)算各次諧波電流，根據(jù)式（4）推算出不同時(shí)刻的CVT各次諧波電壓參數(shù)。

1.2 CVT的諧波測(cè)量方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)適用于CVT現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際諧波電壓測(cè)試的理論計(jì)算公式推導(dǎo)分析，設(shè)計(jì)一套適用于CVT諧波測(cè)量實(shí)現(xiàn)的可行性方案。該方案具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)CVT下端接線盒中線路的接線方式，通過(guò)高精度鉗形電流互感器獲取分壓電容單元的中壓電容器接地支路和電磁單元的中間變壓器接地支路的電流信號(hào)[7]。并由CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)采集的電流信號(hào)進(jìn)行相量擬合、FFT分析計(jì)算，按照每小時(shí)一個(gè)諧波數(shù)據(jù)記錄文件的形式存儲(chǔ)。該裝置最大可記錄時(shí)常為一周。記錄文件可通過(guò)以太網(wǎng)接口或USB 2.0接口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。用戶可通過(guò)安裝有CVT諧波分析軟件的PC機(jī)查看上傳的記錄文件中各個(gè)時(shí)段諧波變化參數(shù)、統(tǒng)計(jì)特征次超標(biāo)諧波出現(xiàn)時(shí)段以及幅值波動(dòng)范圍等性能指標(biāo)。

CVT諧波測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用主從服務(wù)器的系統(tǒng)架構(gòu)。CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置作為從機(jī)系統(tǒng)、安裝有CVT諧波分析軟件的PC機(jī)作為主機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、測(cè)量諧波電壓精度高，且不受CVT二次側(cè)負(fù)載大小的影響。

2 CVT諧波測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)

CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置的硬件電路采用DSP+ARM結(jié)構(gòu)，多處理器協(xié)作的工作模式以及先進(jìn)的大容量NAND FLASH存儲(chǔ)技術(shù)，其具備高速高精度的數(shù)據(jù)采集、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)配備有兩種總線接口的數(shù)據(jù)上傳模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速上傳。具體硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CVT下端接線盒引出的兩路電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行I/V變換、濾波放大等處理，然后由A/D轉(zhuǎn)換電路處理輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。A/D采樣芯片選用AD9695芯片，該芯片是ADI公司生產(chǎn)的一款14位雙通道1 300 MSPS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。DSP數(shù)字信號(hào)處理電路控制ADC采樣頻率。設(shè)置每周波至少采樣128點(diǎn)，采用軟件鎖相自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)的頻率變化，自動(dòng)調(diào)整采樣間隔，維持每周波采樣點(diǎn)數(shù)。對(duì)離散采樣信號(hào)做FFT分析計(jì)算[8]。將實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM，DSP通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)與ARM處理器的數(shù)據(jù)通信。

ARM將處理后的兩路電流信號(hào)的按照式（4）進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)按照3 s時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)[9]。由于數(shù)據(jù)容量大，對(duì)本裝置的存儲(chǔ)設(shè)備容量、讀/寫(xiě)速度以及可靠耐用性提出較高要求；因此本裝置采用多片NAND FLASH級(jí)聯(lián)擴(kuò)充存儲(chǔ)裝置的空間。其中單片NAND FLASH的容量為128 MB，并通過(guò)MTD訪問(wèn)NAND FLASH存儲(chǔ)設(shè)備。內(nèi)存技術(shù)設(shè)備（Memory Technology Device，MTD）只是硬件和上層應(yīng)用之間的一個(gè)抽象接口，通過(guò)該驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同時(shí)ARM內(nèi)部提供兩種總線接口方式，可分別按照MODBUS?TCP協(xié)議和SPI串口協(xié)議通過(guò)太網(wǎng)接口或USB 2.0接口接入主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

2.2 CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置軟件框架

根據(jù)CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)，本裝置的程序結(jié)構(gòu)可分為：DSP模塊、ARM模塊。具體細(xì)節(jié)如圖4所示。

DSP模塊主要實(shí)現(xiàn)A/D采樣控制和離散數(shù)字信號(hào)的FFT計(jì)算。ARM模塊以Linux嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為內(nèi)核完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)以及后臺(tái)通信以及工作信號(hào)指示燈控制。二者之間交互工作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能。其具體程序流程圖如圖5所示。

CVT諧波數(shù)據(jù)采集裝置根據(jù)用戶設(shè)定的監(jiān)測(cè)時(shí)段完成諧波數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和上傳。裝置上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化與主機(jī)系統(tǒng)建立命令連接。根據(jù)設(shè)定的監(jiān)測(cè)時(shí)間周期完成數(shù)據(jù)上傳速率設(shè)置和采樣頻率設(shè)置，同時(shí)開(kāi)啟軟件鎖相根據(jù)電網(wǎng)頻率實(shí)現(xiàn)同步采樣。DSP對(duì)采樣點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行FFT計(jì)算同時(shí)傳輸?shù)紸RM進(jìn)行電流信號(hào)的相量擬合、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)，通過(guò)判斷監(jiān)測(cè)時(shí)間是否溢出控制諧波數(shù)據(jù)采集進(jìn)程，最后將采樣數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)系統(tǒng)。

2.3 CVT諧波分析軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CVT諧波數(shù)據(jù)分析軟件是使用美國(guó)NI公司提供的LabVIEW開(kāi)發(fā)者套件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，支持Windows，Linux的操作系統(tǒng)的PC終端[10]。LabVIEW作為領(lǐng)先的圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，擁有直觀的圖形表達(dá)方式和硬件無(wú)縫連接的能力，借助豐富函數(shù)及相關(guān)模塊工具包，提升效率的同時(shí)擴(kuò)展應(yīng)用范圍，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。CVT諧波數(shù)據(jù)分析軟件按照結(jié)構(gòu)化、模塊化的編程思路，采用自上而下的設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)分為3層：主界面層、邏輯功能層、底層VI，如圖6所示。主界面層以直觀的圖形化人機(jī)交互界面為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體控制；邏輯功能層負(fù)責(zé)系統(tǒng)的各個(gè)邏輯功能實(shí)現(xiàn)，包括接口設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊；按照邏輯功能模塊層劃分底層VI，采用調(diào)用VI的形式實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的功能調(diào)用和交互關(guān)聯(lián)。

本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的CVT諧波數(shù)據(jù)分析軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、波形圖顯示、數(shù)據(jù)存盤(pán)、打印等功能，并具有良好的擴(kuò)展性、較強(qiáng)的實(shí)用性。

3 CVT諧波測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

CVT諧波測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用電能質(zhì)量諧波擾動(dòng)源作為諧波源發(fā)生裝置，測(cè)試過(guò)程輸出電壓等級(jí)為110 kV，同時(shí)電能質(zhì)量諧波擾動(dòng)源采用10 kV的電壓擾動(dòng)模式經(jīng)升壓變壓器提高至110 kV輸出。利用該諧波擾動(dòng)裝置輸出額定電壓幅值的基波電壓并分別單次迭加0.2 kV，0.4 kV的奇次諧波電壓，輸出電壓幅值最大總畸變率[小于10%]，對(duì)CVT諧波測(cè)量裝置在不同工況下進(jìn)行定量分析，具體如圖7所示。

通過(guò)圖7對(duì)比分析可得CVT諧波測(cè)量裝置所測(cè)結(jié)果在不同工況下誤差系數(shù)[δ]幅值基本維持在0～1.50%之間。其中誤差系數(shù)[δ]最大幅值為1.50%，基本滿足GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的諧波測(cè)試儀標(biāo)準(zhǔn)[2]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)CVT諧波測(cè)量的方法進(jìn)行可行性理論分析，并通過(guò)公式推導(dǎo)求出CVT諧波電壓的計(jì)算公式，提出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)完成CVT諧波測(cè)量裝置設(shè)計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證本文所采用方法的正確性、設(shè)計(jì)方案的可行性以及CVT諧波測(cè)量裝置的有效性。該裝置的投入運(yùn)行將能夠準(zhǔn)確、高效地監(jiān)測(cè)諧波變化趨勢(shì)，在一定程度上可預(yù)防降低新能源并網(wǎng)引起的諧波污染問(wèn)題。

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