电力谐波实验台研究与设计.doc

电力谐波实验台研究与设计
谐波抑制/实时性/控制算法/DSP控制器
1  引言
    在理想电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工频和规定的电压水平向用户供电，但在实际的电力系统运行中，由于负载的变化和一些开关器件的使用，电网受到的影响越来越严重，电网中的谐波含量超过国家标准[1][2]。本装置从实际角度出发，从硬件的整理框架到具体模块设计和软件的控制算法等，模拟电网的电压、电流畸变并进行抑制处理，实验结果表明，该装置具有动态精度高、能够进行实时补偿、高可靠性、操作方便，实验效果明显，人机界面友好等优势，符合实际电网的运行状态，适用于电气工程及其自动化专业高年级本科生和研究生，以及从事相关学科教学、科研和工程技术人员。
2  系统硬件总体设计
    系统硬件结构包括实验公共基础台、谐波源发生(非线性负载)装置、谐波检测装置、谐波补偿装置和上位机等构成。系统总体结构如图1。

图1  系统总体结构
2.1 电力谐波实验公共基础台
    电力谐波实验公共基础台是电力谐波治理实验装置以及相关功能挂件的公共基础平台，为相关实验的各类功能挂件提供所需的多种电源、公共接口、保护电路、仪表显示以及工控机接口电路等一体化综合性功能。公共基础台设置总开关、支路开关、复位开关以及继电器保护电路及挂件识别功能等，分别对实验台进行过流、欠压、过压、谐振等保护。针对电力谐波谐振现象，提供专用检测、吸收和保护功能。交流电源从实验室380V动力电源引入到电气实验公共基础台，采用三相四线制端子——A、B、C和N，按照实验装置不同的接线方式和容量要求，经多抽头隔离变压器灵活配置成三相三线、三相四线和单相电源，配置安装电压表、电流表和保护电路，用以监测电网电压和试验装置主回路电流。
2.2 三相电力谐波源挂件
    电力谐波源包括两大类——含半导体非线性元件的谐波源和含电弧及铁磁性设备(电弧炉或铁磁性非线性元件)的谐波源。含有半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备主要有三相整流器、单相全控整流桥、单相变流器、变频器、交流调压器以及家用低压电器等。
    电力谐波实验装置谐波挂件模拟由非线性元件产生的谐波源，由三相二极管整流和阻感负载构成三相整流器，实际产生的谐波比较明显。
2.3 三相/单相电力谐波抑制挂件
    谐波检测由电流传感器测量出负载电流，然后通过DSP计算出电网的谐波分量，并根据相应的控制算法计算出适当的补偿量，控制DSP中的PWM模块输出PWM信号控制IPM的开关信号，补偿电网谐波。
    逆变器采用日本FUJI公司的6MBP50RA060，耐压值为600V，额定工作电流为50A。其内置三相变频器用的IGBT及FWD，并内置IGBT的驱动功能，所以只要将光耦合器输出连接IPM，就能够不设计门电阻而驱动IGBT，如图2所示。

图2  电力谐波源
2.4 三相/单相电参数测量挂件
    电力谐波检测用于采集三相电压、电流的原始数据，采用基于自适应滤波理论的单神经元电力谐波动态检测方法，得到各次谐波的权值，然后根据各次谐波权值，分析计算各项电网参数，包括三相电压、电流的各次谐波含有率、总畸变率，各相的基波有功功率、无功功率和功率因数等信息。
    硬件实现上采用DHPT、 DHCT高精度微型传感器来完成数据采集的功能，采集到的数据经处理后传输到DSP和数据采集卡上。下图为电压采样调理电路，如图3所示。

图3  电力谐波电压信号采样电路图
3  系统软件部分
3.1 基于自适应滤波理论的单神经元谐波电流检测算法
    有源电力滤波器用DSP来实现谐波的检测和补偿电流的控制，克服了模拟电路的缺陷，使系统结构得以简化，而且可根据实际需要改变程序即可运用更先进的算法，便于产品的升级换代。本系统采用的是基于单神经元自适应检测方法，该方法的理论基础是自适应滤波理论，用单神经元来实现自适应检测，在电压严重畸变或负载电流突变情况下仍能快速准确地检测出各次谐波电流[1][6]。
    假设电源电压：
        (1)
    流过非线性负载的电流是周期性非正弦波，可用傅立叶级数展开为：
        (2) 
    式中，I0——直流分量；i1(t)——基波；in(t)——高次谐波，
    将后两项进一步分解为正弦和余弦两部分，即:
        (3)
    式中，ip、iq——基波有功电流、无功电流；ins、inc——n次谐波的正弦和余弦分量。
    电力系统中除基波有功电流ip外，占电流绝大部分的是基波无功电流iq和3、5、7次谐波电流i3、i5、i7，因此负载电流可写成：
        (4)

图4 单神经元自适应谐波检测原理图

    图4是单神经元自适应谐波检测原理图，单个神经元模型是一个多输入单输出的信号处理单元，参考输入作为神经元的输入矢量：
        (5)
    神经元净输入
        (6)
    神经元输出: 
               (7)
    式中，ωi—神经元连接权值，θ—神经元阈值，g—激活函数。
    因为电力系统交流输电母线不含直流分量，取θ为零；又因为i*(t)是参考输入的线性组合，故g(x)可选用线性函数。取：
       (8)
    人工神经网络(ANN)进行在线学习，根据误差信号e(t)调节神经元权值矢量ω。误差e(t)是原始输入iL与神经元输出的差值：
           (9)
    神经元经过学习进入权值跟踪过程，它们分别输出基波有功分量、基波无功分量及3、5、7次所需各次谐波的正弦和余弦分量的近似估计值。
    软件设计流程图5所示。

图5 电力谐波检测算法流程图
3.2 上位机软件设计
    上位机软件负责计量、监测、显示、储存等功能，是实验装置虚拟仪器的核心部分。管理上位机和下位机的通信，包括从电力谐波信号采集器向工控机传送原始波形数据，从电力谐波动态检测仪向工控机传送谐波权值数据，从工控机向电力谐波检测信息液晶显示仪传送电网基础信息。
    工控机和DSP芯片之间的数据通讯采用CAN总线结构，使用广州周立功单片机发展有限公司生产的PCI-9820 CAN接口卡。原始波形和谐波权值的数据传送，分别占用PCI-9820接口卡的一个通道。图6为功能模块结构图。

图6  功能模块结构图
4  实验结果
    负载电流最大值1A，电网电压44V，图7中最上方波形是滤波前的非线性感性负载电流波形，中间是补偿后的电流波形，最下方是有源滤波器的补偿电流波形，波形记录如下；附表为补偿前后谐波还有量的对比；

图7  实验波形
附表  电流畸变率对比

    测试结果表明该系统运行情况良好，补偿精度高，动态跟踪补偿速度快且可靠性高，有效的实现了指定各次谐波的抑制。
5  结束语
    电力谐波实验台装置能较好的模拟电网运行过程中的谐波产生及抑制过程，为电力教学实验提供一个较为完善的模拟平台，并为教学提供较高的指导性，具有较高的教学使用价值。在此基础上，可进一步开发研究扩展其他的教学实验，例如，柔性交流输电（FACTS）、无功补偿等，对从事相关研究开发人员具有指导性意义。
侯 铮 危韧勇 刘威鹏

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