電能質量綜合實驗平臺的設計與應用

許少倫， 孫 佳， 徐青菁， 姜建民， 蘭天翼， 張曉斌

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院, 上海 200240)

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電能質量綜合實驗平臺的設計與應用

許少倫， 孫 佳， 徐青菁， 姜建民， 蘭天翼， 張曉斌

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院, 上海 200240)

近年來，風電、光伏發電等大量分布式電源逐步接入電網，與此同時，用戶用電需求也在大大提升，電力系統的這些變化都對電網電能質量提出了更高的要求。針對在校的本科生和研究生搭建一個電能質量綜合實驗平臺，并基于該平臺開展相應的實踐教學課程，能使學生的能力和智能電網的發展趨勢更緊密的結合。首先介紹了電能質量實驗平臺的基本結構和工作原理，然后著重闡述了平臺的各項功能及具體實現過程，最后結合基于該平臺可開展的各類實踐內容，介紹了電能質量綜合實驗平臺在本科生與研究生實驗教學中的具體應用。

電氣參數測量； 諧波治理； 無功補償； 電能質量； 實驗教學

0 引 言

隨著電氣與電力電子技術的不斷發展，接入電網的負荷不僅在數量上飛速提升，而且在種類與功能上也不斷的多樣化、復雜化。這些變化在對電網承載能力提出巨大挑戰的同時，也對電能質量有了更高的要求。電能質量主要包括電壓偏差、頻率偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、諧波污染、瞬態和暫態過電壓等方面。其中，諧波污染主要是由非線性負載產生。當大量的非線性負載接入電網后，如：具有整流、逆變等功能的電力電子設備、變壓器、電弧焊機、電弧爐等，它們能夠將基波畸變，而畸變的波形中則含有大量的諧波，通常是奇次諧波，這些諧波在回饋到電網中就會污染整個系統[1]。諧波的主要危害有：① 增加了電網中發生諧振的可能，進而造成很高的過電流或過電壓，引發事故。② 增加附加損耗，降低發電、輸電及用電設備的效率和設備利用率。③ 使旋轉電機、電容器、變壓器等電氣設備運行不正常，加速絕緣老化，從而縮短其使用壽命。④ 使繼電保護、自動裝置、計算機系統，以及許多用電設備運轉不正常或者不能正常動作或操作。⑤ 使測量和計量儀器、儀表不能正常動作或者計量。⑥ 干擾通信系統，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳遞，甚至破壞通信設備[2]。

本系統以施耐德電氣贈送的APF、變頻器、PLC、HMI、PM850等主體設備為基礎，進一步擴展，搭建一個綜合的電氣測量和電能質量分析平臺。該平臺能夠模擬配電網諧波源，通過補償裝置對電網諧波進行治理，并以此為核心，利用該平臺開展相關實踐教學及研究。

1 實驗平臺設計與系統結構

本實驗平臺設計為3個開關柜，分別為主控柜、有源功率濾波器(Active Power Filter，APF)及無功補償柜、負載柜。

1.1 主控柜

主控部分是整個實驗平臺的控制中心，主控柜采用施耐德電氣的HMI、PLC及監控主機、NI Labview數據采集卡等實現對整個系統的就地采集控制和遠程控制。系統設計有2套測量端子，用于獲取一次系統各個關鍵節點的電流、電壓信息。其中1套供數據采集卡用，在Labview中可以進行顯示處理；另1套供各個電力參數儀表PM850、電流表和電壓表用，其數據可以通過通信總線傳輸至觸摸屏進行顯示處理。

在電氣參數測量的基礎上，可以利用Labview設計不同的算法對這些傳輸至數據采集卡的數據進行分析處理，進而生成控制APF和晶閘管開關電容(Thyristor Switched Capacitor， TSC)的指令，并發送給PLC。PLC接收到指令后會通過總線下發動作命令，從而實現不同場景下的諧波抑制和無功補償等功能。

1.2 APF及無功補償柜

APF及無功補償柜采用施耐德電氣的有源電力濾波器和EPCOS 的TSC組以及功率因數補償器實現對配電線路當中的三大類非線性負荷進行動態無功補償與諧波治理。

1.2.1 有源電力濾波器

在電力系統中，可能存在各種各樣的非線性負載，這些非線性負載的電壓與電流之間的關系是非線性的，這直接導致了電流中諧波成分的出現。有源電力濾波器通過動態補償的方法向電網中注入反向諧波，從而對幅值和頻率都變化的諧波進行補償。其工作的基本思想如圖2所示。

現代有源電力濾波器系統一般由以下幾個部分組成：指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路。指令電流運算電路的核心是諧波檢測，給出補償電流的指令值；而其他三個部分組成的補償電流發生電路則補償電流的指令信號，產生實際的補償電流。主電路目前均采用PWM變流器[3]。

圖2 APF工作示意圖

檢測、控制電路是APF的關鍵部分，它會對電網負載中的諧波電壓和電流進行實時檢測，得到相對應的補償控制指令，進而來控制PWM逆變器產生相對應的補償電壓或者補償電流。因此，如何才能迅速、準確地把供電系統中諧波電壓、諧波電流以及無功成分檢測出來，進行實時的動態補償是很關鍵的問題。產生補償指令的算法可分為頻域法和時域法兩種，本實驗采用的是時域法[4]。

有源電力濾波器與無源濾波器等設備配合使用也是一種十分有效的濾波方法，如果配合得當可以獲得更佳的效果[5]。在本實驗中，為了簡化電路結構，便于同學們理解，我們采用了單APF濾波方式。后期的進階課程可以考慮將APF與其他設備配合起來使用。

1.2.2 無功補償

該部分主要包括TSC。與機械投切電容器相比，晶閘管的開、關無觸點，其操作壽命長，投切時刻可以精確控制。TSC 能快速跟蹤沖擊負荷的突變 , 隨時保持最佳饋電功率因數，實現動態無功補償，減小電壓波動，提高電能質量，節約電能。

TSC系統是一個對供電網絡波動無功進行動態補償的相對獨立系統，其應用形式有很大的靈活性[6-7]。其工作原理如圖3所示。

通過控制晶閘管的通斷來調節接入電網的電容器的個數，對電網中的無功功率進行有級調節。對于剩下的無功，可以通過APF進行補償。這種APF+TSC的調節方式可以有效減小APF的容量，節約成本[8-9]。

圖3 TSC的工作原理圖

1.3 負載柜

負載柜包括電阻調壓電路、變頻控制、感性負荷三部分。采用三相調壓整機實現電阻調壓，采用施耐德電氣的變頻器控制發電機組，同時采用感性負荷來模擬多類型的負荷。其中電阻調壓和變頻器之間互鎖，實現電機的兩種方式的控制。利用調節接入電阻、電抗的數值和通過變頻器改變電動機的轉速，可以改變平臺電路中的電流諧波含量、無功分布等，實現對電網中諧波、無功情況的模擬。

1.4 監控系統架構

主要由上位機中的Vijeo Citect來實現對PLC、PM850、APF、ATV71等設備的監控。可以在Vijeo Citect中組態監控界面來實現各節點電壓、電流、功率等電氣量參數的顯示、PLC、APF以及ATV71 的遠程控制。

2 實驗平臺功能及實現

該電能質量綜合實驗平臺包含6大部分：Labview數據采集部分，PLC主控部分、無功補償及有源濾波部分、電機變頻控制部分、電阻調壓部分、感性負荷部分，功能強大，可為電氣工程專業的本科教學和研究生科研服務，具有較好的應用研究意義。具體實現如下：

(1) 電氣參數測量(電壓、電流、頻率、功率因數、諧波、閃變、三相不平衡等)。

(2) 諧波模擬及抑制(對典型諧波源進行模擬，并采集相應的數據進行分析處理，然后采取措施抑制諧波。采用了有源電力濾波器、晶閘管投切電容器(串7%或14%電抗器)的組合方法進行諧波抑制和動態無功補償)。

(3) 電機控制(電機的變頻控制及分析)。

(4) PLC集成控制(采用Modbus協議、以太網協議進行變頻器、APF、調壓器等現場設備的控制以及和監控主機的遠程控制)。

(5) 系統組態控制(采用VijeoCitect進行上位機監控組態)。

(6) PLC和Labview的通信控制。

下面以其中2個主要功能為例闡述其實現步驟。

2.1 電氣參數測量

(1) 方案一。從系統中各個節點采集下來的電氣量可以通過數據采集卡，集中匯總到上位機中，用戶能夠使用Labview軟件對數據進行處理和分析。如圖4所示。

圖4 電氣參數采集界面

(2) 方案二。通過電力參數儀表PM850或者開關柜面板上的電流表、電壓表可以觀察各個節點的電氣量。同時，可通過Modbus總線將PM850中的關鍵數據傳輸至人機界面，可方便地在相應監視界面上看到全系統各部分的實時數據及狀態，使用戶對系統狀況有更為直觀的了解。除此之外，如果在上位機中用組態軟件編寫好了相應控制界面，也可以代替觸摸屏，在電腦上完成所有的操作，并達到同樣的效果。

2.2 諧波模擬及抑制

本平臺以三相四線制有緣電力濾波器(APF)和晶閘管投切電容器組(TSC)為基礎，實現了對電網諧波和無功的雙重補償。諧波抑制主要由APF來完成。TSC承擔補償大部分的無功負荷，由于以往的電容器組補無功具有一定梯度，存在多投過補與少投欠補的問題；APF負責對兩級梯度間的小部分無功進行動態補償，實現了對無功的無級補償，精確性得到極大改善。相比普通的電容器組，通過晶閘管投切使得控制性能優化，在裝置發生故障或產生諧振時能夠迅速將電容器組投退，響應速度快，可靠性高，同時籍由在電容器組上面串接電抗器的方式能夠將裝置的諧振頻率設置為電網較大諧波分量頻率的非整數倍，避免引起電網與裝置的諧振，抑制電容器組投切時的涌流以及系統諧波放大現象[10-11]。它較傳統的單純TSC補償更精確，較單一的APF 補償更經濟安全，完全符合國家所倡導的“節能增效，綠色發展”的理念。

利用Labview中設計相應的諧波抑制和無功補償的算法，根據數據分析結果得到所應該采取的補償措施并發送給PLC，PLC在得到用戶指令之后，根據已有的補償方案對諧波進行抑制，提高功率因數。

3 平臺在實踐教學中的應用

電能質量綜合實驗平臺功能豐富，可為電氣工程專業的同學開展以下實踐課程。

3.1 配電系統模擬實驗

通過幾個典型的開關柜來模擬配電系統，使學生對配電系統的結構與功能有更加直觀深入的認識。

(1) 通過查看系統的一次系統接線圖、二次系統電路圖，學習認識配電系統的體系結構；

(2) 負載切換操作。按照正確的順序依次打開、關閉各部分的開關，通過開關柜表面的電力參數表來觀察不同負載下電壓、電流情況，并進行分析。

3.2 電氣參數測量實驗

通過在更貼近實際情況的高電壓、大電流的實驗平臺上進行電氣參數的測量，使學生能夠更好地掌握電氣測量的技術和方法。

(1) 熟悉并掌握電氣參數的轉換方法，并在此基礎上進一步學習電氣參數的測量方法。

(2) 熟悉并掌握Labview軟件，搭建基于LabVIEW的電氣量測量的硬件平臺，依次進行數據采集、頻率測量、有效值測量、三相不平衡度測量、功率測量、諧波測量、閃變測量、數據存儲等模塊的搭建，并根據需要進行測試。

3.3 電網諧波源模擬實驗

通過模擬非線性負載，產生不同種類的諧波，并進行治理，加強學生對諧波的原理及抑制的學習。

(1) 分別投入電阻、電動機、電抗器等負載，通過觀察相應的電壓、電流波形，了解不同負載產生的諧波情況。

(2) 分別在不同的負載情況下投入APF，觀察其對諧波電流的抑制作用。

(3) 分別在不同的負載情況下同時投入APF和TSC，觀察其無功的補償的功能。

3.4 集成控制實驗

整個實驗平臺的控制部分以施耐德電氣的Premium PLC為核心，在該平臺上開展基于PLC的集成控制實驗，可大大增強學生對電氣控制系統的認識。

(1) 基于PLC和HMI的開關控制。在PLC上編寫開關控制程序，在HMI 上編寫控制界面，并通過總線實現在HMI上控制各個開關的投切。

(2) 異步電動機變頻調速系統的PLC控制。在PLC上編寫程序，通過總線對變頻器進行遠程控制，從而實現異步電動機的調速控制[12～15]。

4 結 語

電能質量實驗平臺通過PLC控制、利用APF、TSC進行諧波治理和無功補償，將PLC強大的邏輯功能與Labview的分析處理能力相結合，功能豐富，具有系統結構清晰、層次分明、處理能力強、系統集成性高等特點。該平臺融合了工業現場的設備，能與實際工程緊密結合。同時，該平臺采用當今比較新穎的APF與TSC配合補償無功的處理思路，是一種較新的試驗方法，綜合體現了該平臺的先進性和創新性。

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Design and Application of Power Quality Comprehensive Experimental Platform

XUShao-lun,SUNJia,XUQing-jing,JIANGJian-min,LANTian-yi,ZHANGXiao-bin

(School of Electronic Information and electrical engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With wind power, photovoltaic power generation and other large distributed power connected to the grid, and the increasing of the user demand for electricity, higher requirements will be put forward for power quality. Building power quality comprehensive experimental platform can make students' studying connect with the development trend of smart grid. Firstly, this paper presented the structure and working principle of power quality experimental platform. Besides, it explained the function and implementation of the platform in detail. Finally, it introduced the application in experimental teaching combining the experimental content based on the platform.

electrical parameter measurement; harmonic control; reactive power compensation; power quality; experimental teaching

2015-01-24

上海交通大學特色實驗項目

許少倫(1978-)，男，山東臨沂人，工程師，實驗中心主任，主要研究方向:電力系統自動化、SCADA系統技術。

Tel.:021-34205720; E-mail:slxu@sjtu.edu.cn

TM 93

A

1006-7167(2015)08-0073-04