低壓電器諧波電流試驗系統(tǒng)研究

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、變頻器和軟啟動器等非線性負(fù)載在電力電網(wǎng)中的使用以及太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電并網(wǎng)的運行，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。由于這些諧波會影響用電設(shè)備及電力配電系統(tǒng)的健康平穩(wěn)運行，對此GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對電網(wǎng)公用連接點的全部用戶向該點注入諧波電壓、諧波電流限值[1]做了明確規(guī)定。同時為了保證配電設(shè)備的安全使用，在GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》、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”中都做了諧波電流試驗的相關(guān)要求。為了解決低壓電器檢測領(lǐng)域中諧波電流輸出精度和穩(wěn)定度無法完全滿足標(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)于諧波電流試驗的要求和以前試驗系統(tǒng)存在的問題，提出了一種新的低壓電器諧波電流試驗系統(tǒng)方案。

1 試驗系統(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)條款及試驗實際需求出發(fā)，在低壓電器大電流試驗的基礎(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)出與輸入信號振幅、頻率相應(yīng)的諧波信號。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，容易被低壓電器檢測試驗室和生產(chǎn)商接收。

改進后的該方案諧波發(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)動放大電路模塊、電流中央控制電路模塊、命令電流計算模塊、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)動放大電路模塊、電流中央控制電路模塊、命令電流計算模塊組成了諧波試驗系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)處理單元。命令電流計算電路的主要目的是將輸入端輸入的諧波指令進行接受分析和計算處理，使其能根據(jù)實際意圖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流控制命令信號。電流中央控制電路的作用是根據(jù)命令電流計算電路分析并計算出電流命令信號，進而轉(zhuǎn)換成電信號，并同驅(qū)動放大電路模塊產(chǎn)生實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 試驗系統(tǒng)創(chuàng)新點分析

2.1 采集分析/反饋調(diào)節(jié)電路模塊

一般試驗中使用的諧波源輸出最大諧波電流值小且諧波次數(shù)低，沒有反饋信號進行二次調(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量系統(tǒng)結(jié)合在一起，采集及自動化分析程度低，而且設(shè)備操作煩瑣。該文方案最大的改進是在之前配備的單獨采集設(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，就可以實時采集主電路發(fā)出的實際電流信號，與指令電流信號數(shù)據(jù)進行對比和分析后，產(chǎn)生變差信號，并對指令電流計算重新做出微調(diào)，使諧波發(fā)生裝置單路輸出時產(chǎn)生的諧波電流精度更高。當(dāng)多次諧波同時投入時，可以更及時地采集終端各次諧波電流數(shù)據(jù)并進行調(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。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)諧波電流檢測到的命令電流信號，及時、精準(zhǔn)地控制逆變橋控制計算邏輯和濾波電路模塊開關(guān)器件的動作，使實際輸出諧波電流能夠?qū)崟r圍繞命令電流左右震蕩，不會偏差過大，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，諧波測量設(shè)備的準(zhǔn)確度推薦A、B 兩級[1]。為了能給試驗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，測量頻率范圍為0～2500Hz，測量相角誤差不大于±5°/±1°×h。當(dāng)諧波電壓大于等于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1%時，電壓測量精度為5%；當(dāng)諧波電壓小于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓1%時，電壓測量精度為0.05%；當(dāng)諧波電流大于等于額定電流3%時，電流測量精度為5%；當(dāng)諧波電流小于等于額定電流3%時，電流測量精度為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）的測量誤差及相角誤差都會明顯變大。為了解決諧波條件下測量誤差偏大的問題，該文對輸出的諧波進行了剝離整理，將規(guī)律諧波進行分段采集后再整合計算，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系統(tǒng)方案中占據(jù)核心位置，由2 個獨立的閉環(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單元控制。2 個獨立的電流、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)整個系統(tǒng)的誤差，利用比列、積分計算控制量，操作簡便、系統(tǒng)偏差響應(yīng)周期短且動態(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處理的控制量生成中，適合循環(huán)性信號特性強的追蹤處理和控制。在諧波試驗中，為了更精準(zhǔn)、高效地測出試品的相應(yīng)性能，給定的諧波信號是周期的，諧波的時間分散性及不確定度高，利用RP 控制能進一步縮小試驗過程中諧波電流的調(diào)節(jié)時間及靜態(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)定性的又一個判據(jù)。

因此在試驗系統(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，從而增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。與單獨的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)實時的系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境變化，對控制器的參數(shù)進行調(diào)整，以適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境。

3 試驗系統(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)計的諧波發(fā)生裝置可滿足諧波試驗相關(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，無帶出其他次雜波的現(xiàn)象。

4 試驗系統(tǒng)主要功能驗證

4.1 試驗系統(tǒng)輸出最大諧波電流范圍驗證

系統(tǒng)由最大諧波電流輸出為250A 的2 臺設(shè)備組合而成，當(dāng)通常試驗需求電流范圍為250A 以下時，可以用其中任意一臺來進行試驗，其精度比并聯(lián)的2 臺設(shè)備更高.而當(dāng)試驗所需電流范圍超過一臺限值時，可以同時將2 臺諧波源并聯(lián)運行，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，對系統(tǒng)輸出諧波電流的影響進行驗證。

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，系統(tǒng)多次諧波同時投入輸出的諧波電流情況如圖4 所示。試驗中對4 次、5 次、7 次、8次、10 次同時分別輸入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，會帶出大量的其他次（3、6、9 次）諧波。

圖4 改進前多次諧波同時投入輸出情況

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，系統(tǒng)多次諧波同時投入輸出的諧波電流情況如圖5、圖6 所示。同樣試驗中對4 次、5 次、7次、8 次、10 次同時分別輸入22A、21A、21A、10A、11A的諧波電流指令。

圖5 改進后多次諧波同時投入輸出情況

圖6 改進后多次諧波同時投入輸出波形情況

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

該文對所設(shè)計的試驗系統(tǒng)進行了多種類型的試驗驗證，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)試驗要求。

5 結(jié)語

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)備越來越多，但治理諧波的試驗設(shè)備市場還不夠豐富。該文方案為低壓電器相關(guān)諧波試驗設(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，并對主要輸出數(shù)據(jù)功能進行了驗證，結(jié)果表明，該文方案具有一定現(xiàn)實參考意義。