基于LabVIEW的虛擬儀器諧波分析及測試方法

曹 瑩， 徐秀芬， 侯永強(qiáng)， 帕爾哈提·阿布都克里木

( 1. 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000 )

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)及其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、石油化工等重點(diǎn)耗能領(lǐng)域，變頻器在工作時易產(chǎn)生諧波而嚴(yán)重降低系統(tǒng)的電能質(zhì)量，進(jìn)而影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行。因此，對變頻調(diào)速系統(tǒng)開展諧波測試和評價成為能源領(lǐng)域、重點(diǎn)耗能行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1-4]。

目前，有關(guān)諧波測試與分析評價主要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國際上主要參考IEC61000、IEEE519等，中國主要依據(jù)GB/T 14549—1993、GB/T 17626—2012，其中，石油天然氣行業(yè)主要依據(jù)SY/T 6834—2017[5-6]。SY/T 6834—2017將變頻器、電動機(jī)及其拖動負(fù)載界定為變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)，給出7項(xiàng)節(jié)能評價指標(biāo)及其計算方法，其中4項(xiàng)指標(biāo)(變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)、變頻器效率、諧波電壓限值/電流允許值)與變頻器諧波相關(guān)，僅針對變頻器輸入側(cè)諧波；實(shí)際上，變頻器諧波不僅作用于輸入側(cè)(電網(wǎng)側(cè))，也作用于輸出側(cè)，進(jìn)而對與其相連的電動機(jī)、拖動負(fù)載的性能等產(chǎn)生影響。鑒于現(xiàn)場操作條件及工況要求，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的諧波測試、計算與評價方法并不完全適用。

目前，有關(guān)諧波測試與評價研究主要聚焦于諧波檢測與分析方面[7]，包括對諧波檢測過程中的諧波分量提取方法研究。文獻(xiàn)[8-10]主要基于傳統(tǒng)FFT變換，提出改進(jìn)S變換、全相位譜細(xì)化校正、FFT和DWT組合等改進(jìn)方式。文獻(xiàn)[11-13]從加窗、插值等角度提出防止泄露和提高分量提取準(zhǔn)確性的方法，如迭代加窗、各種改進(jìn)插值方法的組合等。這些改進(jìn)方法主要側(cè)重于提高諧波檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，考慮技術(shù)可行性及工程實(shí)際應(yīng)用推廣，需要綜合實(shí)際工況、測試條件及準(zhǔn)確度等因素。另外，工程上常用的諧波及電能質(zhì)量測試/分析儀器主要有HIOKI3196/3390、Fluke Norma4000/5000等，在滿足測試和分析要求的前提下，Norma5000精度更高、性能更好，但是對測試條件要求高、操作復(fù)雜、成本高。因此，現(xiàn)有的諧波分析與測試方法存在一定局限性，評價指標(biāo)無法全面、合理反映諧波對系統(tǒng)的影響，且無明確的諧波影響分析方法。

為全面合理地反映和評價諧波對變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)的影響，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況要求，筆者對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給出的諧波分析評價方法進(jìn)行改進(jìn)，從整體上考慮變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)，綜合變頻器輸入、輸出側(cè)，研究表征諧波對系統(tǒng)性能影響的評價指標(biāo)及其計算方法。以LabVIEW軟件程序開發(fā)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，構(gòu)造諧波測試虛擬儀器，代替Norma5000等傳統(tǒng)測試儀器，準(zhǔn)確測試和計算變頻器輸入、輸出側(cè)的各項(xiàng)諧波指標(biāo)，以解決現(xiàn)場普遍存在的諧波測試成本高、操作復(fù)雜及測試分析結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。搭建基于LabVIEW的諧波測試與分析實(shí)驗(yàn)平臺，分析諧波對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，確定合理的諧波指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行范圍。

1 諧波測試及評價方法

變頻調(diào)速系統(tǒng)的諧波測試與評價研究主要包括諧波分析與評價方法、諧波測試儀器。其中，諧波測試及評價方法主要依據(jù)國際、中國標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，常用的電能及諧波測試儀器應(yīng)用見表2。

表1 諧波測試及評價相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

表2 常用的電能及諧波測試儀器應(yīng)用

2 諧波指標(biāo)分析

2.1 指標(biāo)體系

基于諧波測試和評價等標(biāo)準(zhǔn)的匯總分析，結(jié)合油氣田生產(chǎn)特點(diǎn)及現(xiàn)場測試工況要求等，確定變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)的諧波評價指標(biāo)體系，包括兩大類9項(xiàng)指標(biāo)。其中，變頻器輸入側(cè)3項(xiàng)、輸出側(cè)6項(xiàng)，諧波評價指標(biāo)體系及計算方法見表3。

表3 諧波評價指標(biāo)體系及計算方法

評價指標(biāo)體系中的各指標(biāo)之間并非完全獨(dú)立，而是相輔相成的，各項(xiàng)指標(biāo)從不同角度和層面反映諧波對變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)的影響。不僅能夠直觀反映諧波的影響程度，還可以反映變頻設(shè)備及整體系統(tǒng)配置合理與否。根據(jù)評價指標(biāo)體系，結(jié)合現(xiàn)有諧波分析方法、電能質(zhì)量分析及測試儀器、信號處理及諧波分量提取方法，確定9項(xiàng)指標(biāo)的計算方法(見表3)。

2.2 計算方法

2.2.1 變頻器輸入側(cè)

諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、三相電壓不平衡度分別為

(1)

(2)

(3)

式中：UIh為輸入側(cè)各次諧波電壓有效值；UI1為輸入側(cè)基波電壓有效值；h為諧波次數(shù)，取為2,3,…，40；IIh為輸入側(cè)各次諧波電流有效值；II1為輸入側(cè)基波電流有效值；VIab、VIbc、VIca分別為輸入側(cè)線電壓有效值；VIavg為輸入側(cè)三相線電壓平均值。

2.2.2 變頻器輸出側(cè)

諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、三相電壓不平衡度分別為

(4)

(5)

(6)

式中：UOh為輸出側(cè)各次諧波電壓有效值；UO1為輸出側(cè)基波電壓有效值；IOh為輸出側(cè)各次諧波電流有效值；IO1為輸出側(cè)基波電流有效值；VOab、VObc、VOca分別為輸出側(cè)線電壓有效值；VOavg為輸出側(cè)三相線電壓平均值。

供電電壓諧波因數(shù)、電流諧波因數(shù)分別為

(7)

(8)

式中：n為諧波次數(shù)，對于三相交流電動機(jī)，不含3及3的倍數(shù)，k=13；Udn為電動機(jī)端n次諧波電壓有效值與額定電壓UN之比；Idn為電動機(jī)端n次諧波電流有效值與額定電流IN之比。

諧波電流允許值是指各次諧波對應(yīng)的最大允許電流。通過各次諧波電流有效值與諧波電流允許值之比，可以判斷相應(yīng)(奇/偶次)次數(shù)諧波的電流是否滿足限值要求。

3 諧波測試方法

3.1 虛擬儀器

諧波測試虛擬儀器是采用LabVIEW軟件程序開發(fā)的，可以完成傳統(tǒng)諧波測試儀器(如Norma5000)內(nèi)置的信號處理、諧波分析模塊及算法，同時外置數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對測試前端的電信號數(shù)據(jù)的采集與傳輸，構(gòu)成一套完整的諧波測試虛擬儀器。采用虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器進(jìn)行諧波測試與分析結(jié)果見表4。

表4 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器諧波測試與分析結(jié)果

由表4可知，采用傳統(tǒng)測試方法中HIOKI3169、3390等測試儀器，對變頻器諧波的測試分析結(jié)果準(zhǔn)確性相對較低，實(shí)際指導(dǎo)意義差。采用Norma5000測試儀器的測試及分析結(jié)果準(zhǔn)確度高，但是操作復(fù)雜性和測試成本高。采用基于LabVIEW虛擬儀器的測試方法不僅能夠精準(zhǔn)測試和計算變頻器輸入、輸出側(cè)的各項(xiàng)諧波指標(biāo)，且能夠通過諧波分析得到輸入/輸出端的全波、基波功率，為變頻調(diào)速裝置、系統(tǒng)能耗及能效水平分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 測試方法

若要分析諧波對變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)整體及各組成部分(變頻器、電動機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械)的影響，則需要對變頻器輸入、輸出側(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行同步測試。

對于某類變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)，進(jìn)行諧波測試與評價：

(1)測試項(xiàng)目及測點(diǎn)布置。根據(jù)負(fù)載類型，確定各項(xiàng)測試參數(shù)，變頻器輸入側(cè)的測點(diǎn)位于變頻器控制柜，變頻器輸出側(cè)測點(diǎn)為電動機(jī)輸入側(cè)，拖動負(fù)載輸入側(cè)為電動機(jī)輸出側(cè)(輸出軸扭矩測試)。

(2)基礎(chǔ)參數(shù)測試。在系統(tǒng)穩(wěn)定工況條件下，對各參數(shù)進(jìn)行同步測試。

(3)數(shù)據(jù)采集與信號處理。通過外置數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)與前端測試數(shù)據(jù)信號的通信與傳輸，基于LabVIEW的諧波信號處理與分析程序模塊，進(jìn)行諧波分量提取，虛擬儀器設(shè)置的諧波分量有效提取次數(shù)為2～40次[18-19]。

(4)諧波指標(biāo)計算與評價。在諧波分量提取基礎(chǔ)上，采用諧波指標(biāo)計算方法，得到各項(xiàng)諧波指標(biāo)結(jié)果，為諧波的影響性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)臺及參數(shù)設(shè)置

以電動機(jī)為模擬負(fù)載，采用油田常用的PWM變頻器，搭建基于虛擬儀器的變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(見圖1)，基本參數(shù)見表5。

圖1 基于虛擬儀器的變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺Fig.1 Experiment platform of variable frequency system based on virtual instrument for harmonic testing

表5 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置50種工況，選擇其中的2種工況進(jìn)行可行性驗(yàn)證，匯總文中測試方法與Norma5000測試的電參數(shù)結(jié)果(見表6)。由表6可知，采用文中測試方法與Norma5000測試結(jié)果基本一致，平均相對誤差為0.69%，驗(yàn)證文中測試方法的可行性和準(zhǔn)確性。變頻器輸入、輸出側(cè)諧波分量的提取結(jié)果見圖2。由圖2可知，諧波分量的提取結(jié)果主要顯示諧波次數(shù)為2～40次，在電源頻率及其倍數(shù)附近，驗(yàn)證諧波分量提取的有效性和準(zhǔn)確性。

表6 電參數(shù)測試結(jié)果

4.2 測試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)，采用基于虛擬儀器的諧波測試與評價方法進(jìn)行50種工況應(yīng)用，包括5種頻率、分別對應(yīng)10種負(fù)載變化的諧波指標(biāo)測試計算。變頻器輸入、輸出側(cè)8項(xiàng)諧波評價指標(biāo)計算結(jié)果見表7。文中測試方法還可以計算變頻器效率，結(jié)合電動機(jī)效率的測試結(jié)果，得到變頻調(diào)速拖動裝置效率。

表7 變頻器輸入/輸出端諧波指標(biāo)測試計算結(jié)果(部分)

4.3 諧波指標(biāo)影響分析

根據(jù)各項(xiàng)諧波指標(biāo)計算結(jié)果，分析諧波對變頻調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)備(變頻器、電動機(jī))及變頻調(diào)速裝置的性能影響。

4.3.1 頻率

5種頻率下，變頻器、電動機(jī)及變頻調(diào)速裝置的效率隨頻率的變化關(guān)系曲線見圖3。由圖3可知，(1)同一頻率下，設(shè)備效率在額定負(fù)載狀態(tài)下為最佳狀態(tài)，隨模擬負(fù)載的增加，變頻器、電動機(jī)負(fù)載率也隨之越接近于額定狀態(tài)，效率呈增加趨勢；電動機(jī)在負(fù)載超過最佳狀態(tài)時，效率略有下降。(2)不同頻率下，設(shè)備效率有所不同。隨頻率的降低，高次諧波成分的電流波形中的電流含量相對增加，導(dǎo)致變頻器和電動機(jī)損耗(主要為銅損和鐵損)隨之增加，因此設(shè)備效率隨頻率的降低而呈逐漸減小趨勢。

圖3 頻率對變頻系統(tǒng)性能的影響Fig.3 The frequency influence on the performance of frequency system

4.3.2 諧波

諧波對變頻調(diào)速系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在各項(xiàng)諧波指標(biāo)與設(shè)備效率之間的變化關(guān)系。以電壓總畸變率、電流總畸變率指標(biāo)為例，分析諧波對變頻系統(tǒng)性能的影響效果。

(1)電壓總畸變率。變頻器輸入/輸出側(cè)電壓總畸變率與變頻器、電動機(jī)效率的變化關(guān)系曲線見圖4。由圖4可知，變頻器輸入、輸出側(cè)的變化規(guī)律基本一致，對設(shè)備性能的影響結(jié)果也基本一致，即電壓總畸變率越大，設(shè)備及變頻調(diào)速裝置的運(yùn)行效率越高。對于40 Hz以上工況，輸入側(cè)的影響占比較大，電壓總畸變率不能過高，一般控制在6%以內(nèi)，以減少諧波對設(shè)備性能及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。因此，在變頻系統(tǒng)運(yùn)行時，可在允許范圍內(nèi)盡量提高電壓總畸變率，同時考慮電流總畸變率的影響。

圖4 電壓總畸變率對系統(tǒng)設(shè)備性能的影響Fig.4 The VTHD influence on the performance of equipment in frequency system

(2)電流總畸變率。變頻器輸入/輸出側(cè)電流總畸變率與變頻器、電動機(jī)效率的變化關(guān)系曲線見圖5。由圖5可知，變頻器輸入、輸出側(cè)的變化規(guī)律基本一致，對設(shè)備性能的影響效果也基本一致，即電流畸變率越大，設(shè)備及變頻調(diào)速裝置的運(yùn)行效率越低，且輸入側(cè)的電流總畸變率遠(yuǎn)高于輸出側(cè)的，起主要作用。因此，要想保證變頻系統(tǒng)良好的運(yùn)行狀態(tài)，需要控制輸入側(cè)具有較小的電流總畸變率(一般為70%～80%)，以減少對變頻系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

圖5 電流總畸變率對系統(tǒng)設(shè)備性能的影響Fig.5 The ITHD influence on the performance of equipment in frequency system

文中諧波評價指標(biāo)體系能夠全面、合理反映諧波對變頻系統(tǒng)及設(shè)備性能的影響，提出的基于虛擬儀器的諧波測試方法能夠替代成本高、操作復(fù)雜的Norma5000測試與分析，且精度和結(jié)果滿足要求。諧波電流允許值的分析與評價主要依據(jù)GB/T 14549—1993，適用性和指導(dǎo)性較差。因此，若想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行，保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量，則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，確定各項(xiàng)諧波評價指標(biāo)的限值，以抑制諧波對變頻系統(tǒng)的不良影響，實(shí)現(xiàn)電能高效率傳輸與轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)工程應(yīng)用、諧波測試與評價分析，基于虛擬儀器的諧波測試與分析方法，建立涵蓋變頻器輸入側(cè)、輸出側(cè)兩大類、9項(xiàng)指標(biāo)的諧波評價指標(biāo)體系，確定各項(xiàng)指標(biāo)的計算方法。

(2)通過LabVIEW軟件與數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)合形成諧波測試虛擬儀器，搭建基于虛擬儀器的諧波測試分析實(shí)驗(yàn)臺，測試及評價方法合理可行。在保證諧波測試與分析準(zhǔn)確度基礎(chǔ)上，降低諧波測試成本，提高測試效率，操作易實(shí)現(xiàn)。

(3)頻率對變頻調(diào)速裝置中設(shè)備運(yùn)行效率影響相對較小，在工頻50 Hz附近運(yùn)行效率最高。輸入側(cè)電壓、電流畸變率影響較大，為了保證較好的電能傳輸質(zhì)量，應(yīng)保證輸入側(cè)電壓總畸變率在6%以內(nèi)，電流總畸變率在70%～80%范圍。