UPQC電能質量檢測系統的研究

姜鈺梁，曹 鐵

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UPQC電能質量檢測系統的研究

姜鈺梁1，曹 鐵2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所,武漢430064；2.武漢理工大學，武漢430063）

統一電能質量控制器（UPQC）是具有綜合調節功能的串并聯補償調節裝置，它包含了串聯補償調節裝置和并聯補償調節裝置各自具備的特有功能，主要用于綜合解決多種電能質量問題。本文在分析UPQC的基本結構與工作原理的基礎上，設計了UPQC電能質量監測系統的硬件電路，對典型電能質量參數的計算方法及其軟件實現進行了研究。通過實驗和現場測試，驗證了整個系統的可行性。最后，將測試結果與標準結果對比分析，得出相應的結論。

UPQC 電能質量檢測 TMS320F2812

0 引言

隨著配電系統中各類非線性負載的不斷增加，電能質量正處于日益惡化的狀態，用戶對電能質量提出了更高的要求，因此對于如何讓配電系統的電能質量提高這一研究課題引起了較高的關注。一方面為了讓用戶端在使用敏感負載時可以得到高質量的電能供應，而另一方面為了防止用戶端由于使用大功率、非線性負載而造成各種電能質量問題反饋回電網側，為了解決這兩者之間的電能質量問題，可以在配電系統中的公共接點處安裝統一電能質量控制器（UPQC），以保證整個配電及供電系統的電能質量達到標準指標。

UPQC電能質量監測系統主要對統一電能質量控制器各部分的電能質量進行實時的監測和分析，當檢測到電能質量出現波形畸變時，做出報警提示并且對產生波形畸變原因加以分析，找到引起波形畸變的可能故障，做出相應的調整控制。

本文采用先進的數字信號處理芯片TMS320F2812來完成對UPQC各部分電能質量的檢測系統。TMS320F2812主要功能是控制 A/D采樣和外圍器件的正常工作、完成數據處理和檢測參數的計算、保證鍵盤響應、電能質量參數顯示與存儲和系統正常運行狀態等諸多任務按時有序地完成。

1 UPQC的基本結構及工作原理

UPQC主要由串聯有源濾波器和并聯有源濾波器構成, 包含了串聯補償器和并聯補償器各自的優點，能解決大多數的電能質量問題。圖1和圖2分別給出了串聯補償器和并聯補償器的結構圖。

圖1 串聯補償器的結構圖

圖2 并聯補償器的結構圖

普通用戶所使用的電網電壓基本上是為畸變后的三相不平衡系統，與理想的三相平衡的標準正弦用戶電壓相比，實際的電網電壓幅值與標準電壓的額定值是有一定差別。串聯補償器主要就是用于解決這一問題，它將標準的三相對稱正弦電壓值與實際檢測到的電壓值之差作為補償電壓的目標值，然后可以利用三角波調制的方法產生PWM控制信號以控制IGBT的通斷，最終使串聯補償器產生和補償電壓的目標值相同的電壓來完成電壓補償[1-3]。

并聯補償器相對串聯補償器來說主要是用于完成對三相不平衡電流的補償。理想情況下的電網中的供電電流應該為三相對稱的正弦有功電流，它的相位是與電網電壓的正序基波分量的相位相同。并聯補償器根據檢測到的電網電壓正序基波分量，利用輸出功率與輸入功率平衡的基本原理，通過計算得到流過負載兩端的電流理論值，將其作為補償電流的目標值，然后對電流使用滯環比較方式的PWM控制，最終完成無功電流補償[4-5]。

本文主要是對 UPQC各部分電能質量參數進行檢測，將檢測到的結果送入控制器，為UPQC完成后續控制打下基礎。

2 硬件總體設計

本文硬件主要由模擬電路和數字電路兩大部分構成。模擬電路主要用于完成對電網信號的采集與調理。數字電路主要是對采集到的信號進行實時處理，包括參數計算、諧波分析、鍵盤、顯示、通訊和數據存儲等功能。其總體框圖如圖3所示，主要由檢測電路、THS1206信號采樣電路、DSP系統和人機交互四大部分組成。

2.1 檢測電路設計

本系統選用瑞士LEM公司生產的LV25-P型電壓互感器和LA125-P型電流互感器來完成互感器部分的核心電路設計。

LV25-P和LA125-P內部結構均是霍爾原理的閉環補償電流型互感器，LV25-P原邊電流測量范圍是：-14 mA到+14 mA，LA125-P原邊電流測量范圍是：-200 A到+200 A；LV25-P副邊額定電流有效值為25 mA，LA125-P副邊額定電流有效值為125 mA。具體的三相電壓和電流互感器部分電路如圖4和圖5所示所示。

根據圖5的設計，可以計算出電壓互感器電路的輸入電壓與輸出電壓之間的比例系數，以Vsa為例說明。四個200 kΩ/5 W的電阻并聯在互感器輸入端，則：

LV25-P的轉換率為2500:1000，因此，互感器內部的輸出與輸入電流比為：

電壓互感器檢測電壓與輸出電壓之比：

圖5 電流互感器部分電路

根據圖5的設計，可以計算出電流互感器電路的輸入電流與輸出電壓之間的比例系數，以i2a為例說明。LA125-P的轉換率為1:1000，因此，互感器內部的輸出與輸入電流比為：

電流互感器被測電流與輸出電壓之比：

2.2 THS1206信號調理電路設計

為了保證可以準確采樣到高次諧波信號，用到的A/D不僅要求采樣精度較高且轉換速度要快。TMS320F2812芯片內部A/D在采樣精度和采樣速度上都難以滿足本設計的需求，因此選用了TI公司生產的型號為THS1206的12位4通道高速A/D。THS1206是采用流水結構的A/D轉換器，它主要用于儀器儀表、圖像處理、數字信號處理和自動控制等領域[6,7]。本文需要對UPCQ四處三相電壓與電流各項電能參數進行檢測，因此整個系統需要使用6片THS1206芯片。由于每片THS1206相關電路的設計大致相同，這里只介紹其中一片THS1206的硬件電路設計。

THS1206的信號輸入范圍為+1.5 V到+3.5 V之間，內部使用+1.5 V和+3.5 V的雙基準電壓源。經過傳感器輸出的信號的峰峰值若不在+1.5 V到+3.5 V之間，就需要利用信號調理電路將輸入到A/D中的信號進行調理。利用兩個TL084將-3 V到+3 V的輸入信號調理成+l.5 V到+3.5 V之間的信號，輸入到THS1206進行轉換。放大器正向輸入端的-2.5 V電壓由THS1206的內部基準電壓輸出REFOUT經OP07反相得到，4通道A/D接口電路如圖6所示。

圖6 4通道A/D硬件設計圖

3 系統測試結果

本系統測試部分將Fluke 43B手持式三相電能質量分析儀所檢測到的數據作為參考值。Fluke 43B帶有光隔離RS232可以將測量到數據與圖形上傳到上位機中。

對系統測試包括檢測電路測試和信號調理電路測試，檢測電路是用于完成對于電壓和電流檢測信號的衰減，主要是測試電壓和電流互感器的輸入信號與輸出信號是否達到了前文檢測電路設計中所提到的輸入信號與輸出信號的衰減倍數；信號調理電路是用于將互感器輸出信號調理成可以滿足A/D輸入范圍的信號。

3.1 檢測電路測試

對檢測電路的測試使用1臺臺式電腦和1個電熱燒水壺同時作為檢測負載，利用Fluke 43B檢測到電壓互感器輸入電壓與輸出電壓的波形如圖7和圖8所示。

本設計電壓檢測電路實際輸入范圍是-500 V到+500 V，輸出范圍是：-2.5 V到+2.5 V。輸入電壓與輸出電壓需滿足檢測電路設計中的設計要求：

根據圖7和圖8可以清楚觀察到，輸入電壓有效值為223.9 V的正弦信號信號，電壓檢測電路輸出電壓有效值為1.122 V。輸入與輸出滿足式（6）的關系，測試結果表明電壓檢測電路達到了預期的設計要求。

根據圖9和圖10可以清楚觀察到，輸入電流有效值為13.88 A的正弦信號信號，電流檢測電路輸出電壓有效值為0.695 V。輸入與輸出滿足式（7）的關系，測試結果表明電流檢測電路達到了預期的設計要求。

圖7 電壓檢測電路輸入波形

圖8 電壓檢測電路輸出波形

本設計電流檢測電路實際輸入范圍是-60 A到+60 A，輸出范圍是：-3 V到+3 V。輸入電流與輸出電壓需滿足檢測電路設計中的設計要求：

圖10 電流檢測電路輸出波形

3.2 信號調理電路測試

圖11 調理電路輸入波形

圖12 調理電路輸出波形

對信號調理電路的測試，使用函數發生器輸入峰值為2.5 V、頻率為50 Hz的標準正弦信號，利用Fluke 43 B檢測到調理電路輸入信號的波形如圖11所示，信號調理電路的輸出波形如圖12所示。

本設計信號調理電路的輸入范圍是-3 V到+3 V，輸出范圍是+1.5 V到+3.5 V。輸出與輸入信號的關系應滿足如下的設計要求：

根據圖11和圖12可以清楚觀察到，原本峰峰值為-2.5 V到+2.5 V的正弦信號，經過信號調理電路后，輸出為+1.67 V到+3.33 V。輸入與輸出滿足式（8）的關系，測試結果表明信號調理電路達到了預期的設計要求。

4 結論

本設計主要是為了完成對UPQC各部分電能質量的檢測，包括：頻率檢測、電流電壓有效值檢測、各項功率參數的檢測、諧波檢測和三相不平衡檢測。在通過設計、制作、調試與測試發現整個電路設計從傳感器輸出的信號，到送入A/D采樣到的信號均較為準確，可以用于對于UPQC電能質量參數的檢測。

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Research on Power Quality Monitoring System in Unified Power Quality Controller

Jiang Yuliang1, Cao Tie2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064，China；2. Wuhan University of Technologe,Wuhan 430064, China）

TP 332

A

1003-4862（2017）11-0038-05

2017-08-15

姜鈺梁(1987-)，女，工程師。研究方向：檢測技術及自動化裝置。