光學(xué)電壓互感器諧波測量影響因素及分析

王宇航,劉有為

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206;2.中國電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用[1-4],電網(wǎng)中諧波增加,對諧波測量和治理的需求日益增加。國標(biāo)GB/T 14549[5]、GB/T 24337[6]中規(guī)定50 次諧波的允許測量誤差最大為5%。GB/Z 17625.4[7]規(guī)定新型電力電子設(shè)備諧波測量要達(dá)到100 次諧波以上。近年來,國際上開始關(guān)注超高次諧波(Superharmonics,2～150 kHz) 的測量問題[8-10],IEC 61000-4-7[11]、IEC 61000-4-30[12]也提及超高次諧波的測量。但電網(wǎng)中的諧波占基波的比例較小。電磁式互感器因鐵磁材料存在磁飽和現(xiàn)象和諧振現(xiàn)象,僅適用于1 kHz 以內(nèi)的諧波測量[13]。電容式電壓互感器由于中間變壓器的存在,其諧波測量缺乏統(tǒng)一定量規(guī)律[14]。光學(xué)電壓互感器(optical voltage transformer,OVT)頻率響應(yīng)范圍寬、動態(tài)范圍大[15],在高次諧波測量領(lǐng)域具有優(yōu)勢。但以往的研究側(cè)重點未涉及50 次諧波[16-18],因此有必要對其高次諧波的測量性能進(jìn)行分析。

1 光學(xué)電壓互感器幅頻特性試驗及仿真

1.1 試驗方法及裝置

幅頻特性是諧波測量性能的核心指標(biāo)。為了系統(tǒng)研究OVT 的幅頻特性,對OVT 采集單元上傳的數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)分析,計算的時間窗口為0.2 s,并以3 s 內(nèi)的平均值作為輸出值[5-6,19]。OVT 樣機傳感單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 OVT 樣機傳感單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Sensor unit structure of OVT prototype

圖1(a)是現(xiàn)場常用的結(jié)構(gòu)模式。其中:SF6氣體起分壓和絕緣的作用,確保作用在鍺酸鉍(Bi4Ge3O12,簡稱BGO)晶體上的電壓在線性工作范圍內(nèi),且能承受各種類型的過電壓。圖1(b)樣機主要用于和圖1(a)樣機作對比。圖1(b)施加在傳感晶體BGO 的電壓是已知的,更容易校驗傳感晶體的工作情況。如無特殊說明,測試溫度均為室溫(約20 ℃)。

對于110 kV 電壓等級的OVT,氣體和晶體的分壓比最高能達(dá)到36∶1。對于諧波分量,實際作用在晶體上的電壓有可能從上百伏到幾伏。由此分析可知,校驗互感器的電壓范圍為5～200 V。

1.2 光學(xué)電壓互感器的仿真模型

為了系統(tǒng)分析OVT 的工作情況,按照OVT 的工作原理[20-22],基于Simulink 搭建了仿真模型。

仿真模型與OVT 實際配置一致,采用的一階濾波電路用傳遞函數(shù)表示為:

式中:Gf為一階濾波器的傳遞函數(shù);f為輸入電壓的頻率。

模型的作用是抑制高頻噪聲混疊:作zero-orderhold 及理想16 位A/D 仿真采樣量化過程。數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)學(xué)運算后獲得的信號仍是數(shù)字信號,模型中的除法是針對十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行的,因此需在仿真數(shù)字解調(diào)運算后引入計算產(chǎn)生的量化誤差。對此,可利用,獲得解調(diào)后對應(yīng)的模擬信號,與比例系數(shù)K相乘后最終獲得輸出電壓。

OVT 仿真模型如圖2 所示。

圖2 OVT 仿真模型Fig.2 Simulation model of OVT

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 高壓傳感單元結(jié)構(gòu)對OVT 幅頻特性的影響

實測圖1 所示兩種樣機的幅頻特性。有、無氣-晶界面的OVT 樣機幅頻特性對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 OVT 樣機幅頻特性對比結(jié)果Fig.3 Comparison result of amplitude frequency characteristics of OVT prototype

由圖3 可知,在頻率為9 000 Hz 時,有氣-晶界面的樣機存在一個明顯的臺階。這是由氣-晶界面空間電荷極化引起的。空間電荷極化是一個相對緩慢的過程。隨著頻率的增加,電壓極性反轉(zhuǎn)時間縮短,空間電荷極化便來不及形成。這一現(xiàn)象大約造成0.6%的變比偏差,在優(yōu)化設(shè)計時可以通過軟件予以糾正。

2.2 量化誤差對光學(xué)電壓互感器幅頻特性的影響

OVT 幅頻特性如圖4 所示。

圖4 OVT 幅頻特性Fig.4 Amplitude frequency characteristics of OVT

由于實際的諧波電壓幅值很低,為了檢驗OVT 對低幅值諧波電壓的測量性能,對圖1(b)所示無氣-晶界面的OVT 樣機逐步降低輸入電壓幅值,即如圖4 所示的OVT 幅頻特性。

從圖4 中可以看到:當(dāng)輸入電壓為5 V 時,輸出出現(xiàn)明顯波動,由此引起的誤差高達(dá)4%。

為了找出導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因,應(yīng)用圖2 所示的仿真模型進(jìn)行了研究。OVT 諧波測量特性的數(shù)字仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 OVT 諧波測量特性的數(shù)字仿真結(jié)果Fig.5 Digital simulation results of OVT harmonic measurement characteristics

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電壓較小時,光強系數(shù)I0會產(chǎn)生波動,并導(dǎo)致輸出結(jié)果的波動。實際OVT 采用的是超幅射發(fā)光二極管(super luminescent diode,SLD)光源,設(shè)計時要求通過“恒流+恒溫”來保證光源波長和功率的穩(wěn)定。但這種穩(wěn)定是相對的。受控制回路精度的限制,SLD 光源的功率總會在小范圍內(nèi)波動[23],從而引起I0的變化。由于OVT 采用雙探測器解調(diào)的方式,理論上光強的少許變化并不影響測量。但實際情況是:當(dāng)輸入電壓幅值很低時,由于A/D 的量化誤差,并不能保證雙探測器的完全平衡,由此引入的誤差就不能忽略。顯然,如圖5(b)所示,提升A/D 的位數(shù)以提升測量精度,是OVT 用于諧波測量時的優(yōu)化策略之一。

2.3 噪聲對諧波測量的影響

OVT 噪聲來源包括光源的相對強度噪聲、光電探測器的散粒噪聲、光路偏振串?dāng)_引起的雙折射、熱噪聲以及低頻噪聲[24-26]。

不同溫度下OVT 噪聲的頻域分布如圖6 所示。

圖6 不同溫度下OVT 噪聲的頻域分布Fig.6 Frequency-domain distribution of OVT noise at different temperatures

從圖6 中可以看到,隨著溫度的增高,噪聲整體水平變化不大,但容易出現(xiàn)低頻“畸變”和高頻“畸變”,且“畸變”的幅值會隨著溫度的升高而增大。這是因為溫度升高改變了光學(xué)元器件的偏振態(tài),增加了偏振串?dāng)_的影響。另外,溫度還會增加載流子的熱發(fā)射,導(dǎo)致電子元器件出現(xiàn)暗電流,尤其是在缺陷處。

與額定值相比,諧波幅值很小,因此噪聲對諧波測量的影響不容忽視。根據(jù)研究結(jié)果,在夏季高溫時段,因受噪聲影響,高次諧波的測量誤差可能高達(dá)8%。高頻畸變的噪聲信號并不在有效測量區(qū)域,低頻畸變是疊加到有效測量區(qū)域的噪聲量,不能用模擬濾波的方式將其濾除,而應(yīng)采取數(shù)字濾波的方式將其抵消。在這里提出一個有效的數(shù)字濾波方式。OVT 的噪聲具有隨機性,而不同時間段噪聲的頻譜具有差異性。這種差異性體現(xiàn)在特定頻率的噪聲分量在不同的時間段有可能具有不同的幅值和相位。也就是說,對不同時間區(qū)域的噪聲求平均值,有可能降低其噪聲水平。電網(wǎng)中諧波分量的變化緩慢。假設(shè)諧波分量為定值,0.2 s(即10 個基波周期)為FFT 計算周期。將這個時間段采集的數(shù)據(jù)分為10 組,即每0.02 s 上傳的數(shù)據(jù)串為一組列向量,記作x1,x2,...,x10,每組都包含若干諧波周期。

有、無數(shù)字濾波噪聲水平對比如圖7 所示。

圖7 有、無數(shù)字濾波噪聲水平對比Fig.7 Comparison of noise level between with and without digital filtering

2.4 多次諧波混合對諧波測量的影響

前述有關(guān)OVT 諧波測量特性的分析都是基于單次諧波。實際電壓應(yīng)為基波與多次諧波的混合。應(yīng)用圖2 仿真模型研究了多次諧波混合下OVT 的測量特性,具體混合方案如下:U1=Uf+U2H+U3H+U5H+U50H,基波Uf=UN=2 000 V,50 Hz,2 次諧波U2H=0.8%UN,3次諧波U3H=1.6%UN,5 次諧波U5H=1.6%UN,50 次諧波U50H=0.25%UN。表1 給出了單次諧波輸入及混合輸入下OVT 輸出對比。研究表明,諧波測量存在交叉影響。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有:①sinθd≈θd的近似計算,施加在OVT 上的電壓越高,近似計算的誤差越大,主要表現(xiàn)為基波在頻域上的泄漏;②量化誤差將引起諧波分量波形的畸變,導(dǎo)致其在頻域上的泄漏。由于基波的幅值高、能量大,其泄漏對諧波測量的影響更大。而諧波幅值低、能量小,其泄漏對諧波測量的影響可以忽略不計。經(jīng)過FFT 分析,基波泄漏對3 次諧波的影響最大,在校對諧波測量精度時,不應(yīng)忽視基波的影響。

表1 單次諧波輸入和混合輸入下OVT 輸出對比Tab.1 Comparison of OVT output under single harmonic input and mixed input

3 結(jié)論

OVT 氣-晶體界面存在空間電荷極化。這一現(xiàn)象會對OVT 的諧波測量造成一定影響,大約在9 kHz 附近分壓比出現(xiàn)一個小的跳躍,優(yōu)化設(shè)計時宜通過軟件予以糾正。

與基波相比,諧波的幅值較小,對A/D 量化誤差敏感,OVT 參數(shù)的微小擾動即會引起諧波測量結(jié)果的波動。這一現(xiàn)象可根據(jù)諧波測量需求,通過提升A/D位數(shù)予以克服。

OVT 的噪聲信號特征是低頻高、高頻低。本文提出一種有效數(shù)字濾波形式,可以有效抑制溫度造成的噪聲畸變。

電網(wǎng)的諧波是各頻次的諧波與基波的混合。基波在三次諧波頻域上的泄漏,需要在測量諧波的時候予以考慮。